三維打印實驗教學的研究

朱小明

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

0 引 言

有專家預言“三維打印技術將帶來第三次工業革命”。近年來三維打印技術迅猛發展，走進了各行各業。高校對三維打印技術的教學也越來越重視，機械、電子、生物醫學等專業的相關院校都購置了三維打印機，開展三維打印技術的實驗教學。如何讓三維打印在高校中得到更好的推廣和應用，第一步就是要制定好的實驗課程，使其在機械制造及其他學科領域發揮更大的作用。三維打印的實驗教學以提高學生的產品創新能力、設計能力和實際動手能力為主，主要包括三維軟件建模和使用三維打印機打印產品。本文結合實際的教學過程，開展三維打印實驗教學的研究，包括實驗教學理念的建立、教學的條件和實驗教學的主要設計思路，以規范實驗教學，提高實驗教學質量。

1 教學理念的建立

三維打印實驗教學主要是培養學生創新和工程實踐能力。學生可以邊做邊學，設計、打印和測試自己的作品，通過一系列的動手實驗了解和實現自己的設計思想、設計作品。應該鼓勵學生設計和三維打印人們能夠使用的一些物體，或者無法在別的地方找到的特制模仿品，把自己的設計想法變成現實的東西，從中學到或感受到更多的東西。例如，在計算機上看起來很好的模型，打印出來后卻不太盡如人意，可能會比預想中的要大，外觀效果不夠完美或者強度不夠等等。

三維打印實驗教學還應能夠幫助在傳統教育中表現不太好的學生重新建立信心。有些學生在傳統理論教學中學不好，但使用設計工具和三維打印產品時也許能做得很好。所以三維設計和三維打印對擁有“視覺”或“觸覺”學習方式的學生有很大的吸引力。

2 實驗教學的條件

三維打印實驗教學主要是CAD 軟件建模和三維打印機加工產品。在CAD 軟件建模方面，主要考慮使用何種CAD 軟件。實驗時間較短，均為一天或兩天時間。如何在有限的時間內使學生更快、更好地學習和掌握建模技術，CAD 軟件的選擇很重要。其中SolidWorks 軟件是一個不錯的選擇。該軟件界面簡潔，操作簡單，建模速度快，非常適合初學者使用，使沒有建?；A的學生也能在短時間內建立一些簡單的模型。

為了學生有真正動手操作的機會，能把虛擬的三維數據變成現實產品，提高動手能力和學習興趣，學校在三維打印機的配置上要做好工作。最初，由于經費的限制，很多學校只能購置一臺價格為十幾萬以上的三維打印機，一臺的數量根本無法滿足實訓的要求。學生一般只能看看，很少有動手操作的機會。隨著三維打印機的降價和簡易實驗用普及式打印機的推出，學校能用有限的經費購買多臺普及式打印機。該類型打印機具有結構簡單，體積??；軟件系統具有開放式，便于學習和使用的特點。在成形過程中可清楚地觀察工件的成形狀況，便于操作者了解打印原理和過程。

3 實驗教學的設計思路

1）安排合理的教學內容。參加實驗教學的學生來自不同的專業，教學時間的安排也不同。例如機械專業的實驗時間為兩天，其它專業（汽車、電信等）均為一天。所以要結合學生專業特點和實驗時間安排合理的教學內容。一天實驗時間的教學，要求學生能完成簡單模型CAD 為主，軟件教學要簡單、實用，介紹的特征命令包括拉伸凸臺、拉伸切除、旋轉。在打印機教學上只包括打印機的基本操作和軟件中簡單參數的設定，不會強制要求做到優化加工。在工藝原理中只包括FDM 工藝。兩天實驗時間的教學，要注重作品的設計質量。在CAD 軟件教學上，特征命令會相應增加，包括拉伸凸臺、拉伸切除、旋轉、旋轉切除、掃描等，案例模型難度也會加大。三維打印作品上不但要完成加工，而且要做到工藝參數的優化加工，所以控制軟件中各參數的設置會做詳細的講解。在FDM 工藝原理的基礎上，會拓展其它類型的三維打印工藝，例如SLA、SLS 等。

三維打印教學安排在學生產品建模后，會造成學生同一時間扎堆使用打印機的情況，所以要在產品建模前完成三維打印教學。這樣，先完成CAD 建模的學生可以先進行打印，未完成的同學繼續使用電腦建模。在有限的時間和設備資源下，使學生動手操作的機會最大化。

2）運用多種教學方式，提高學習興趣。要編好相關的實驗指導書，并在實驗中運用多種教學方式。教學中使用多媒體課件，課件中多以動畫、視頻和圖表等生動直觀的形式為主。搜集三維打印相關資料和最新信息動態，課堂上提供給學生；并向學生提供相關的學習網站，供學生課后學習研究。進行實驗室現場的三維打印作品展示和說明，提高學生學習興趣。課堂上多以提問、啟發、比較、討論等方式上課。在老師的引導下，學生通過小組討論和互助的方式來學習，充分調動學生的積極性。錄制一些軟件建模視頻和打印機操作視頻，方便學生對所學知識進行復習，加深理解，增加操作信心。

3）強調原創性和創新性。學生在實驗中三維打印的產品必須是自己設計或是經過設計改動過的，不可直接使用已有的產品模型進行加工。鼓勵和引導學生結合專業特點進行產品創作或對現有的產品進行創新，即使是小小的設計或改變，也能使學生真正參與設計思考工作。例如機械專業的學生，可引導他們在設計上與機械原理等學科結合，設計一些典型的機械模型，例如發電機、齒輪等。通過設計、三維打印、產品分析，使學生從視覺、觸覺上深刻領會相關的原理和設計。

針對個別學生建模能力較差或產品模型比較復雜的情況，可為學生提供初步的CAD 模型，讓學生參考建模方法或對其模型進行改良設計，提高建模效率。

4）注重動手能力、協作能力的培養。在實驗中，確定設計方案、產品建模和三維打印產品這些過程學生必須要親自實踐動手完成。上課前分組，確定人數，選好組長，明確組長責任，由組長協助老師對本組學生進行管理，協調本組學生進行作品設計討論交流，一起解決產品建模和打印操作中遇到的問題，既能相互監督，又能培養學生之間的團隊協作能力。避免個別學生因遇到困難，而失去學習或動手操作的興趣。

加工結束后，學生對自己產品進行展示和說明，學生相互交流。老師對作品進行登記、點評和總結，向學生提出一些相關問題。這樣可以有效地督促學生進行學習和動手操作，營造良好的學習氛圍。

4 結 語

在實驗中，學生設計了許多高質量且富有創意的作品。通過三維打印產品，使設計變成了現實，學生充滿了自豪感與成就感，增強了自信心和激發了創作力。另外，三維打印實驗室也為本校參加機械類設計比賽的學生提供了更深入的三維設計和打印技術培訓，學生利用三維打印機就能輕松地加工出產品，也為進一步的產品測試和修改節省了大量時間。開展教學一年多，三維打印實驗教學受到了學生的廣泛好評。

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