褚忠 　华福文 　林海龙 　吴兴农

[摘 要]模具教具定制是提高模具CAD/CAM课堂教学效果的保障，基于机械三维CAD/CAE/CAM软件进行零件的模型设计、成型工艺的优化和模具成型零部件的设计，利用3D打印技术快速打印模具核心部件，采购标准的教具模架，实现模具教具的快速设计和制造。基于3D打印的教具的研发，既可改善教学效果，又可提高师生的创新思维和实践能力。

[关键词]教具;模具CADCAM;3D打印

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0089-03

模具CAD/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术，可提高模具质量，缩短模具加工周期。模具CAD/CAM课程是一门应用性与实践性很强的项目化课程，在传统教学中，大部分是以理论为主线，技能学习为辅。传统模具CAD/CAM课程教学中：（1）重点讲解CAD/CAM原理或三维软件命令的使用，学生缺乏独立思考。（2）缺乏模具相关的专业知识的融会贯通。没有将产品设计、模具设计、数控加工与3D打印等增材制造技术融合起来，导致学生在课程学习完毕后，不能全面理解基于CAD/CAM的模具设计及制造的过程。（3）课内课外实验中，模具教具和实验设备通常是从教具公司直接购买的，任课教师只能选择购买的模具教具，模具及产品缺乏针对性，模具模型及教具难以满足正常教学的需要，也不能了解最新的模具设计和制造技术，其结果是购置的教具和设备不能满足课程大纲的需要，不能满足专业基本技能训练的要求，无法适应地域经济及行业发展对人才培养的需要。3D打印技术使得任课教师可以方便地设计、打印模型教具，可正向或逆向设计产品模型和模具教具，并可以设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求。

3D 打印为教育行业打开了一扇新窗口，应用型本科院校及大中专学校都在研究、探索如何将该技术应用到相关的教学和学习中。学生不仅可以享受到3D设计和3D打印技术辅助教学的便利，激发对3D打印的兴趣，促进学生对模具设计和制造的技术进步，也会对他们的未来的职业发展产生深远的影响。利用3D 打印技术制作模具教具，用于注塑模具和冲压模具等课程中，促进学生对不同模具结构的快速了解，学习模具新材料等知识。国内的众多高校已建立了3D 打印实验室，学生在实验室内就可以把自己设计的数字化模型转化成为实物作品，并方便随时反复修改，以达到优化设计。

一、模具教具的定制

自制教具在教具中占有很重要的位置，自制教具是教师和学生在3D打印实验室内，结合课堂学习知识和实验需要，团队一起动手设计制作的教具，并反过来用于教学。从改革教学方法的角度看，它会比一般教具更有使用价值。

（一）自制教具的作用

1.自制教具在课堂教学中有良好的作用。教师在深入钻研教材内容的基础上，备课时根据自己的教学方法，设计制作自己想要的教具，课堂上可充分展示教学内容，解决课程的难点问题。

2.培养师生的跨学科知识的应用能力。自制教具的设计是应用专业知识与教学经验进行创造性的活动。由于模具教具的设计和制造涉及计算机、材料及控制等多学科、多领域的知识，在创造性思维物化的过程中，对学生的创新意识会起到强化作用，师生协作能促进创新思维的发展和动手能力的提高。

3.促进大学生提升创新实践能力。在大学生科创活动中，将机械制图、机械原理及专业课塑料成型工艺与模具设计等课程知识点应用到项目中，既能将课本知识与实际结合，又能促进创新意识的提高。

总之，自制模具教具不但有利于提高教学质量，对教学方法的改革和学生综合素质培养也有好处。

（二）模具教具的制作过程

模具教具的制作过程为：确定设计内容→分析计算→CAD设计绘图→制作加工→实验校准→完成教具。要成功地制作出一种教具，需要在这些制作过程中反复试验修改。3D打印技术恰好为这种过程提供极大的便利，对于复杂外形的教具，具体的程序会有些变化。

二、3D打印技术在教具设计中的应用

3D打印技术在实现个性化定制方面具有独特的优势，基于三维软件（UG NX、Solidworks等）设计教具数字化模型，可快速实现模型的实物化。

（一）3D打印技术概述

3D打印快速成型技术是一项兴起很快的成型技术，在全世界吸引众多人群对其进行研发，掀起了极大的热潮。这种技术的原理较简单，即首先通过三维设计软件，设计出想要的三维数字模型，通过切片软件，对模型切片进行分析，即将模型划分成一定厚度（0.1～0.2mm）的单位层，设置打印参数后，生成打印文件，然后导入打印机，选用单一或多种材料，完成打印，对打印零件进行适当的后处理。

3D打印被称为具有革命意义的新兴成型技术，不仅在现代加工业的市场占有一席之地，并对医学领域、航空航天技术、食品、化妆品等行业发起有效的冲击。各个国家因3D打印技术在当代和未来的发展前景，投入大量的人力物力，不仅使3D打印快速成型技术本身飞速发展，也降低了3D打印领域产品的制造成本，更是开拓了应用的市场，扩大了3D打印技术的使用范围，例如文化创意领域广泛应用3D打印技术制作作品并在市场取得较高的收益。

根据现有的参照实物，3D打印快速成型技术引申出来的逆向工程再制造技术，使得其更具有发挥的空间和应用的前景。通过三维扫描仪，将实物模型扫描，形成点云文件，再经专业软件（Geomagic design，Imageware等）处理，形成实体文件，也可添加特征，利用正逆向混合技术，设计理想的成品。

3D打印快速成型技术逐渐进入教育行业，辅助教师进行课程课件设计，在中小学到当代大学的课程中屡见不鲜。将3D打印技术更好地融入教育行业，结合专业优势，定制教具，可更好发挥其作用，也使课堂内容更加丰富，教具本身的制作过程及作用可同时呈现在课堂上。

（二）开发内容

应用型本科院校培养目标是面向社会需求，为企业培养生产、管理、服务行业高级专门技术人才，既不同于研究型大学培养的理论型高级人才，也不同于职业院校培养的技能型人才。其培养的人才不仅能掌握生产的各种高级技能，还具有将高新科技转化为生产力的能力，即具有设计与开发能力。

上海应用技术大学“3D打印装备与制造实验室”，是与青岛尤尼科技有限公司、上海存知光电有限公司共同建立的联合实验室，经过三年多的运行和总结，形成如图1所示的3D打印教育模式。在校企联合实验室平台上，合作企业接受在校学生的实习，为学校提供培养计划的修改意见，讲授和指导校企联合课程与实验;另外，学校帮助企业完成3D打印机培训及售后服务，降低企业销售成本。校企联合实验室内，企业和学校共同促进搞好“三创（创新、创业、创客）”活动，贯彻落实“创客校园”的主题活动。将3D打印与传统教育相结合，学生可直接参与课程实验，既有利于对模具相关知识的深入学习，又能激发学生的创造力，对培养社会需要的应用型工程师大有益处。

在此平台上，开展模具教具设计，内容如下：

1.模具教具快速设计系统

依据产品形状及技术要求，基于三维软件正向设计模具结构，利用3D打印机打印模具零部件，并完成装配。

2.模具教具逆向设计

通过三坐标测量机或激光测量机对实物进行扫描，把测量所获得的点云数据交给CAD软件或专门的反求软件中，对点云数据群进行编辑、过滤、整理、排序、局部修改与重组，然后生成曲线、曲面，获得同实物精确一致的三维数字模型，最后再设计产品模型、3D打印模具零部件。

3.建立基于3D打印的模具教具设计系统

建立基于3D打印的模具教具设计数据库，设计流程，打印优化参数，灵活运用装配方法等。

4.3D打印材料及成型工艺研究

研究不同材料（ABS、PLA、蜡丝等）的成型工艺，优化工艺参数。

三、注塑模具教具设计

图2为一个汽车上的结构件——角扣，是起连接作用的一个塑料件，材料为ABS，精度等级为MT3。图3为外形及工程尺寸。

（一）模具型芯型腔设计

对这个塑料件产品的使用性能进行分析，其中也包括了外形分析及成型工艺分析。零件厚度约2.5mm，侧面为1.5mm，顶面为1.5mm，结构性较为合理，符合注塑成型的条件。其体积为V=14.9cm3。零件下底面有一不平的凸状物，中间有一个小台阶，零件侧壁有均匀分布的凹槽。本塑料件不允许有外形和结构的损伤。

在课程中，可将此塑料件作为模具拆装实验的教具。实验目的是对于模具教具进行拆装，熟悉模具的基本结构，并绘制简图。因此，对模具要进行简化，但保留模具整体结构的完整性，例如冷却系统等零件。简化整体模具模型建模如下。

动模固定板去除了螺纹连接等方式，改用间隙配合和过盈配合连接，简化流道等，如图4、图5所示。

本模具教具设计中，选用3D打印型芯型腔配合现有模具教具进行配合实验。现有注塑模具教具为标准C1二板模，型芯型腔尺寸为100[×]100mm。标准模架和实物如图6、图7所示。

（二）3D打印实体

模型设计完成后，选择合适的打印机进行打印。对于模具教具而言，意图在于学习不同类型的模具结构，因此对于简化后的模具教具精度可适当降低。这里选用的是FDM桌面级3D打印机，打印精度为0.02mm。在3D打印教具之前，对材料进行分析，对于FDM打印机所需考虑的问题主要有：

1.翘曲问题。因为FDM 3D打印机是将丝状材料熔化再通过自然冷却凝固，在打印时，在进行上层打印过程时，下层已打印的材料已冷却，温差变化会导致材料收缩变化，导致翘曲。

2.收缩率。PLA的材料会有一定的收缩率，与3D打印机的熔融状态、冷却温度及冷却速度有关。在非控制收缩率打印状况下进行打印，会导致精度偏差。

模具教具需要对成型部件与模架进行配合，因此要保证打印的精度，就必须通过实验了解当前环境下，收缩率和翘曲问题的数据，并进行多次实验，比对数据，对于收缩率和翘曲设置打印参数。实验过程如图8所示。

通过对大尺寸零部件、矩形零件、圆柱形零件、凸台零件、内孔零件进行打印实验，分别量取尺寸、直线度、平面度、圆柱度、垂直度等进行分析，收缩率影响达到0.2%～1.5%不等，其中大尺寸零部件和小尺寸零部件的精度偏差最大。

针对此试验结果，对设计模型进行适当处理，打印后的模型如图9、图10、图11所示。模具安装时需要手工对其外表面进行打磨，以确保模具教具的正常使用。

四、结语

基于3D打印技术在模具CAD/CAM教学中的应用，可形成一套的模具CAD/CAM教学解决方案，涵盖教学资源、教学案例、技术服务、模型库等。3D打印技术有利于相关课程教学方法的改善，模具模型可在塑料成型工艺及模具设计、冲压工艺及模具设计课堂教学中使用，课堂上即可拆装，利于学生对模具结构的理解。

1.将模具设计理论方法与模具制造相结合，提高教学效果。模具CAD/CAM教学实验系统，一方面可在材料成型及控制工程专业相关课程中使用，也可在机械制造及自动化专业课程模具CAD/CAM中使用，设计打印各种典型机构，并应用在教学实践中。

2.利用3D打印技术，可实现复杂结构的模具制造。将标准模架或其他构架与3D打印零件相结合，可快速实现模具教具的定制，有利于课堂教学。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 刘新娜，薛智勇.应用型创新人才培养模式下的模具CAD/CAM技术课教学改革[J].职业，2014（12）.

[2] 周成飞.浅论3D打印技术在机械工程设计中的有效运用[J].当代教育实践与教学研究，2018（4）.

[3] 王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013（8）.

[4] 尚雯，谭跃刚，张帆，等.面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用[J].中国轻工教育，2016（3）.

[责任编辑：钟 岚]