3D打印教具在模具CAD/CAM中的应用研究

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]

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