向金林

摘 要：在工業(yè)4.0時代，利用快速成型技術才能快速響應市場的需求，技校教育中如何應用快速成型技術是該文所要討論的問題。該文介紹了快速成型技術的原理和分類，介紹了快速成型技術在技校教育中所起到的作用，以機械設計這一課程為例介紹了如何應用快速成型技術來提高學生的學習興趣，完成教學目標。

關鍵詞：快速成型技術原理 快速成型技術分類 技校教育

中圖分類號：TH39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0156-02

隨著制造業(yè)進入工業(yè)4.0，產品進入多品種、小批量的生產，如何能快速響應市場，是企業(yè)能否生存的關鍵。在此種形勢下快速成型技術得到飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已經廣泛應用于航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型（雕刻）、建筑模型、機械行業(yè)等領域。

1 快速成型簡介

快速成型技術（也稱快速原型）（Rapid Prototyping）將計算機上設計的零件三維模型，表面三角化處理，存儲成STL文件格式，對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或燒結或切割一層層的成型材料，形成各個截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實體，然后進行實體的后處理，形成原型[1]。

這樣的技術不同于傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作模具，可以把零件原型的制造時間大大減少，甚至縮短為幾天、幾小時，大大縮短了產品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

現(xiàn)在成熟的快速成型技術主要有5種。

（1）光固化成型（SLA）：采用液態(tài)光敏樹脂為材料，利用激光掃描固化材料而成型。其生成的產品精度高，但強度低，不能進行裝配后期也易變形，設備與材料都貴。

（2）選擇性激光燒結（SLS）：采用粉末為材料（理論上一切粉末皆可），利用激光掃描燒結成型，無需支撐，后期需要處理，產品強度好，但表面精度差，燒結過程中有異味。

（3）疊層實體制造（LOM）：采用薄紙或者錫箔紙為材料，利用激光燒結成型，可以制作大尺寸制件，制作成本低，但易吸濕膨脹。

（4）熔融沉積（FDM）：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，通過帶有微細噴嘴的噴頭擠出來。成本較低，成型樣件強度好，易于裝配，表面質量一般（可進行打磨）?，F(xiàn)常用于樣品的制作。

（5）3D打?。?DP）：運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

2 快速成型在我國的發(fā)展

快速成型技術起源于美國，興盛于20世紀90年代，我國快速成型技術研究工作起步于90年代初。剛開始時技術引進較多，但由于引進價格昂貴，使生產成本過高，國內制造型企業(yè)往往無法承受。從1991年開始，國家開始大力發(fā)展快速成型技術。先后在清華大學、西安交通大學、華中理工大學、南京航空航天大學、上海交通大學和浙江大學等知名高等院校開展研究應用。清華大學研制出世界上最大的 LOM雙掃描成型機，已提供給國內的汽車制造企業(yè)，研制成功的多功能快速造型系統(tǒng)MRPMS已打入國際市場，自主開發(fā)的大型擠壓噴射成型RP設備SSM1600成形尺寸已達 1600×800×750，也居世界之首。

目前，部分國產RP設備已接近或達到美國公司同類產品的水平，價格卻便宜得多，自主研發(fā)應用于快速成型的材料也逐步趨于完善，材料的價格更加便宜。國內的家電行業(yè)在快速成型系統(tǒng)的應用上，走在了國內制造型企業(yè)前列：如廣東的美的、科龍，江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成型系統(tǒng)來開發(fā)新產品，收到了很好的效果。近些年隨著通訊事業(yè)在我國的高速發(fā)展，一些國內通訊巨頭企業(yè)例如華為、中興等公司也逐漸將快速成型技術引入產品設計開發(fā)環(huán)節(jié)，使得公司對市場的響應效率、產品的競爭力提升了一個等級[2]。

3 快速成型技術在技校的應用

隨著RP技術在各行各業(yè)的廣泛應用，企業(yè)界對相關技術和工程應用人員的需求量越來越大。為滿足社會的需求，各類學校紛紛增設了快速成型技術方面的課程。

就RP技術而言，據(jù)對企業(yè)的調研結果顯示，企業(yè)希望畢業(yè)生能了解快速成型的基本理論和工作方法，能熟練運用三維軟件進行建模和創(chuàng)新設計，且可以熟練應用快速成型設備進行產品或模具的快速制造[3]。技工學校培養(yǎng)的是技能型應用人才，具體到快速成型技術來說，學生就是會用快速成型設備進行產品的制造。

為對接企業(yè)的需求，技工學校也開始紛紛引進快速成型設備，大多數(shù)是3D打印機并應用于課程教學中。但由于專業(yè)性的原因，主要分布于機械制造類、創(chuàng)意設計類和園林工程類等設計類專業(yè)，或者作為選修課供其他有興趣的同學學習。

快速成型設備的引入把教學中抽象的物體通過快速成型技術直接呈現(xiàn)于學生和教師面前，為進一步的學習提供真實可靠的探索依據(jù)，激發(fā)同學們的學習興趣?？焖俪尚驮O備在技工學校教育中提高了很多學科的教學效果。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）變抽象為具體。教師可以通過快速成型設備將抽象的物體打印出來直觀呈現(xiàn)在學生面前，避免了學生在對行業(yè)了解不多的情況下對抽象知識的學習困難。如在機械設計中的機械制圖，學生可以通過打印實物將二維與三維很好地結合在一起，更加直觀地了解投影的概念；在機械設計課程中，可以將設計的圖紙落地變成實物，讓學生更好地理解結構與裝配的關系。還有其他課程如園林設計、建筑設計和動漫設計等專業(yè)都可以采用快速成型設備實現(xiàn)抽象變具體，便于學習。

（2）有利于教師進行教學改革與科研研究。教師可以通過快速成型設備制作研究項目的實物來測試研究項目的可行性，同時還可以大大降低制作成本，節(jié)約時間。

（3）提高了學生們在學習中的探究能力。技工學校中建筑設計、機械設計、工業(yè)設計、園林設計和珠寶設計專業(yè)的學生都能通過專業(yè)知識的學習后制作出實體模型，從而驗證設計的正確性。能看到成品的出現(xiàn)，大大提高了學生的學習興趣與探究能力。

（4）快速成型技術為師生的教學環(huán)境提供了充滿創(chuàng)新和興趣的課堂。教師通過快速成型技術把書本里的抽象物品制作出實物，同學們在一件件實物模型前都會感覺知識就在自己身邊，自己的想法也能通過創(chuàng)新實體化，這對于學生的創(chuàng)造能力提供了很多種的可能。

（5）快速成型技術為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育提供了巨大發(fā)展的空間。通過快速成型技術可以將同學們的創(chuàng)新設計、創(chuàng)意設計展現(xiàn)出來而不僅僅是停留在紙面上的概念設計，這對于同學們在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中是一個非常重要的技術。

4 如何培養(yǎng)技校的快速成型技術技能型人才

快速成型技術結合了三維建模技術、切片技術、激光技術和計算機控制技術等于一體，要達到優(yōu)質的教學效果，應該以項目為載體，采用“做中學，學中做”的一體化教學方式，以最大限度激發(fā)學生的學習能力。在項目的設置上應該本著從簡單到復雜，知識點逐步深入貫穿到整個教學中。以機械設計中快速成型技術的應用為例，整個課程設計了4個項目“軸零件設計”“齒輪設計”“減速器上蓋設計”和“減速器底座設計”。

軸零件設計項目（8學時）：學生首先學習軸技術知識；其次在三維建模軟件中完成簡單的軸零件設計（如圖1所示）；隨后將軸的三維模型文件導入到快速成型的切片軟件中，學習如何切片，切片完成的模型（如圖1所示）；最后學習設備的操作，將模型打印出來，驗證軸的結構設計正確與否。整個項目設計集理論與實踐于一體，既學習了必須具備的理論知識，還初步掌握了三維設計和快速成型設備的操作，學生能看到實物出現(xiàn)，興趣高漲，對后續(xù)的課程充滿了期待。同時操作技術在后續(xù)的項目中還可以得到加強，這對以技能型人才為培養(yǎng)目標的技校教育來說是非常重要的鍛煉。

5 結語

快速成型技術融入技工學校教育的領域中，對未來的國家制造業(yè)發(fā)展起到非常關鍵的作用。現(xiàn)在很多技工學校的學生都是企業(yè)未來生產線上的主力。這些在學校里學會專業(yè)技能又能通過快速成型技術進行企業(yè)工藝創(chuàng)新的人才將會是企業(yè)快速發(fā)展的一股重要力量。雖然快速成型技術進入技校教育的時間不長，但教育界從上到下都對此充滿了期待，相信快速成型技術將在技工學校的教學活動中發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻

[1] 王廣春.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].3版.機械工業(yè)出版社，2013.

[2] 羅庚.快速成型技術及在我國的發(fā)展[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2010（1）：166-167.

[3] 孫春華.逆向工程與快速成型技術應用”課程教學探討[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2011，22（2）：56-58.