3D打印技术在机械原理课程设计中的应用

周丽红，张丁，袁浥宁，胡碧康，董春法

（1.武汉城市学院机电工程学部，武汉 430083；2.湖北理工学院机电工程学院，黄石 435003）

0 引言

机械原理是研究机械基础理论的一门科学，是机械类各专业的一门主干技术基础课程，在创新机械所需的知识结构中占有核心地位［1-2］。机械原理课程设计是培养学生设计能力和创新能力的重要手段之一。传统机械原理课程设计要求学生能结合一个简单机械系统，综合运用所学理论，使学生受到确定运动方案的初步训练，要对方案中某些机构进行分析和设计。通过设计进一步提高学生运用技术资料、运算和绘图的能力。以武汉城市学院机电工程学部机械设计制造及其自动化专业的《机械原理课程设计》课程为例：该课程设计是让学生以经典压床机构为对象，对其曲柄摇杆机构、齿轮机构和凸轮机构进行理论分析和设计，并手绘出设计图纸。根据往届学生的设计实践结果来看，大部分学生都是根据指导书“依葫芦画瓢”，对分析设计过程一知半解，达不到预期实践效果，学生没有真正意义上掌握压床设计的核心内容。目前该课程的设计训练对学生的培养和锻炼远远达不到现代企业对人才能力的要求，一个创新机械产品从设计到运用，其中还涉及制造和装配以及试用等环节。

本文主要研究内容就是在《机械原理课程设计》原有要求的基础上，通过加入3D打印技术，让学生自己动手用Pro/E或SolidWorks等软件设计并画出压床机构中的连杆机构、滑块等各个零部件，然后3D打印出来并组装，最后实现压床的机械运动功能。课程设计中并没有给出压床机构的实物尺寸，这将要求学生根据自己的理解和分析来设计尺寸，存在很大的创新空间。打印误差的存在，会让装配变得困难。学生可以通过误差纠正和打印参数的调整来减小打印误差，或者通过后期处理使得各个零部件之间能装配好。这无疑会极大地激发学生的学习兴趣和强化学习效果，提升学生的制图、设计和创新能力。

1 3D打印技术在压床设计中的具体应用

1.1 零件尺寸的确定

压床机构的主体机构为六杆机构，电动机经联轴器带动减速器的三对齿轮转动，经三级减速后，再经六杆机构使压床滑块上下运动。同时，在曲柄轴另一端装有供润滑连杆机构各运动副用的油泵凸轮机构。整个压床机构全部3D建模下来工作量比较大，我们只选择主体六杆机构为对象，进行设计、3D建模和打印。

在对主体零件进行建模前，首先要设计各个零件的相关尺寸，如压块的长、宽、高；圆柱杆直径；孔的直径、孔深等，然后才能利用三维建模软件来绘制压床三维零件图。学生需要根据指导书中给出的具体机构参数进行计算，分析六杆机构的运动关系，设计各杆的长度。压床机构主体零件主要包括压块1、压块2、圆柱杆、滑块、连杆1、连杆2、连杆3、底座1、底座2、大底座、圆盘。表1为其中一位学生的对压床机构主体零件相关设计尺寸。尺寸的设计尤为关键，如果设计有误，会直接导致实体模型各零件无法装配。

表1 压床机构主体零件相关设计尺寸（单位：mm）

1.2 压床零件建模

各零件尺寸确定，采用计算机辅助设计软件建模。建模软件主要有Pro/E、SolidWorks、UG等，本文应用SolidWorks来进行数字化建模。SolidWorks功能强大、易学易用，比较受广大工程师和设计者青睐［3］。图1为各零件的三维图。在对压床机构的各个零件进行建模后，通过各杆之间的运动关系，按照所需的自由度进行装配。装配时要注意各个零件之间的配合。用Solid⁃Works进行运动仿真分析，验证六杆机构的运动结果是否达到预期设计要求，连杆机构是否能带动滑块上下运动。压床主体装配如图2所示。

图1 压床主体零件三维图

图2 压床主体结构装配体结构

1.3 零件的3D打印

3D打印机工作之前需要用切片软件进行切片处理。我们学校采用的是Cura切片软件，先在SolidWorks中将各零件三维模型转化为STL格式文件，才能进行切片处理。之后设置层高、壁厚、填充率、打印速度、打印温度、平台温度，支撑类型等打印参数进行打印。学校教学采用的是FDM（熔融沉积快速成型）打印机，耗材为环保可降解的PLA（聚乳酸）。打印之前零件的摆放方位的不同，打印的成型质量和效率会有很大区别。为了提高打印效率，节约打印耗材，一般学生们都会对模型进行缩小打印，此处要注意压床主体机构所有零件都要缩小同样的倍数。稳妥的学生一个一个零件打印，有些学生同时打印多个零件以节约打印时间，有些同学将底座设计成多孔结构进一步来提高打印效率，每组设计和行为的差异，表现非常直观。

1.4 零件的后处理和装配

零件打印完成后首先从打印机工作台剥离，用腻子铲插入零件间隙，环绕零件一圈，可轻松取下。零件后处理主要包括去除支撑和打磨，教学练习不要求上色。后处理中打磨步骤比较重要，打印的误差处理不当会让各零件装配不上，只能通过打磨来补救。我们用锉刀或者砂纸来手工打磨提高各零件的尺寸和质量精度。大部分学生在滑块装配时出现了问题。圆柱杆的打印放置方式如果选择圆柱面作为支撑面，会导致圆柱表面粗糙，滑块上下滑动困难；滑块侧孔深度尺寸设计小，与连杆装配则容易脱落。此环节不仅锻炼了学生的拆装能力，还加深了学生对机械原理、机械结构和机械运动的理解和掌握。图3为上述学生将模型缩小0.6倍后打印出来的压床主体实物装配图。

图3 3D打印压床主体机构装配实物模型

1.5 成品展示与评价

学生打印模型装配完成后向老师和同学共同进行展示。先同学评价，后老师点评，对打印环节现场评分。每组作品的优缺点一目了然的展示在大家面前，学生可以相互汲取每组作品的优点，同时对自己的不足之处有了改进的方式和方法。传统的机械原理课程设计只要是考察学生平时表现（出勤率、设计态度）、图样设计和说明书三方面。融入3D打印技术环节后，整个评价体系随之进行修正，加入3D打印作品精度、装配度和创新性。这种形式的展示和评价，学生的参与度、兴趣度、积极性和创新性成倍增加。通过3D打印环节的加入，也增加了学生的自信心和教师的成就感。

2 3D打印技术在机械原理课程设计中的应用意义

将3D打印技术应用在机械原理课程设计教学中，让学生通过对压床工作的原理和具体零部件的运动分析，设计出各个零部件的具体形状和尺寸，通过三维软件将整个压床主体部分组装并进行运动仿真，把抽象的理论知识通过可视化手段呈现出来。通过3D打印，把设计的模型变成实物并进行装配，强化了学生的动手能力和解决实际问题的能力。从实践效果来看，将3D打印技术应用在机械原理课程设计教学中具有以下几点重要意义：

（1）实现了机械原理课程设计的可视化。传统的机械原理课程设计，学生根据教师给的抽象的原理图和给定的已知参数，生搬硬套跟着老师的思路进行繁琐的计算和设计，很少有独立的思考空间。而将3D打印技术融入机械原理课程设计，将压床主体机构打印出来，让学生实现压床真实的工作状态，实现了教学的可视化，让枯燥的设计鲜活起来。

（2）提高了学生学习积极性。众所周知，对于知识的学习，实践动手操作比理论讲述更容易被学生所接受。抽象难懂的机械原理课程，让我们这个层次学校的学生苦不堪言。以往的课程设计，基本是由优异的几个同学组成的几个不同的雷同版本，对设计的改进和心得体会非常敷衍，没有具体内容。通过3D打印技术在压床设计中的应用，不仅让学生亲身感受到了实践动手的激情，同时也激发了学生内在潜藏的学习兴趣，体验到了学习的快乐和学习的成就，提升了他们的学习积极性。学生提交的报告根据他们每组设计过程中出现的状况不同呈现的内容也各有不同，有些组对问题的分析比较深入，给教师以惊喜，都是可造之材。

（3）激发了学生的创新精神。通过学生对压床主体设计的作品来看，在不影响功能的基础上，学生们为了美观或提高打印效率或节约打印成本或提高打印质量，在零件细节的设计和打印的方式上呈现了“百花齐放”的势态。有效地激发了学生的想象力和创新精神，培养了学生的动手能力和创新设计能力，极大地促进了创新型应用人才的培养。

（4）打造了高效的探究式学习环境。以往的课程设计，教师讲解完原理、布置了设计任务后，学生埋头设计，零星有学生和老师交流不懂的地方，大部分学生一知半解地借鉴优秀同学的设计。3D打印作品的引入，课程设计在任务驱动的形式下开展，通过布置目标要求等开放性设计任务，学生以小组的形式，相互合作和研讨，小组内部解决不了的问题，勤于向教师请教，学生们逐步在实践中掌握了压床的机械设计要领，从而打造了高效的探究式学习环境，同时也培养了学生的沟通、团队协作能力。即使最后装配失败的小组，他们也能从中很直观的找到自己的失误之处，有的选择自己课后加班重新设计并打印作品，有的则选择在报告中仔细分析自己的失误。经过3D打印环节的练习，让学生彻底明白了压床的工作原理、结构和运动，达到了很好的学习效果。

3 结语

通过将3D打印技术应用到机械原理课程设计中，将抽象、晦涩的知识与实践结合，实现教学可视化的同时，提高了学生的学习积极性，激发了学生的设计创新意识，打造了高效的探究式学习环境，提高了学生的学习效率、提升了学生的学习效果，培养了学生的综合机械设计能力，对机械原理课程设计教学有着深远的影响。机械专业的教师应刻苦钻研3D打印技术在教学上的运用，不断提高课程教学质量。