在先進制造技術(shù)課程中開展3D打印實驗的方法探究

【摘要】在分析先進制造技術(shù)課程教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂教學(xué)和科研實踐經(jīng)驗，研究了先進制造技術(shù)課程中開展3D打印實驗課程的教學(xué)內(nèi)容，提出課堂教學(xué)與實驗教學(xué)混合開設(shè)的教學(xué)模式，探索了開設(shè)3D打印實驗的實施方案。最后，實例說明了運用混合教學(xué)模式取得的成效。

【關(guān)鍵詞】先進制造技術(shù)；3D打印；課堂教學(xué)；實驗教學(xué)

0 引言

隨著人類生活水平不斷提高和科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，快速響應(yīng)多品種單件小批量生產(chǎn)的市場需求對制造業(yè)提出了新的要求，針對此需求，先進制造技術(shù)在企業(yè)的生產(chǎn)活動中得到了廣泛的應(yīng)用，進而對企業(yè)員工的素質(zhì)也提出了更高的要求，工程技術(shù)人員必須對先進制造技術(shù)的專業(yè)知識有所了解和掌握。針對上述需求現(xiàn)狀，近年來眾多高校機械類專業(yè)都相繼開設(shè)了先進制造技術(shù)課程，并將其作為必修課以滿足市場需求。

3D技術(shù)作為先進制造技術(shù)的一種，出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末期，該技術(shù)是集成了計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)及能源技術(shù)。據(jù)稱，3D打印技術(shù)是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，將對社會多個行業(yè)和領(lǐng)域帶來深刻影響。3D打印的未來發(fā)展將使大規(guī)模的個性化制作與制造成為可能，在工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間[1]。

1 3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，各高校都把先進制造技術(shù)作為工業(yè)工程、機械制造及其自動化、機械電子工程及工業(yè)設(shè)計等專業(yè)的必修課，一般開設(shè)在第7學(xué)期，學(xué)時在32~48之間。目前，先進制造技術(shù)本身雖已作為一門課程講授，但仍然存在如下的一些問題[2-3]：

（1）圍繞先進制造技術(shù)教學(xué)的實驗設(shè)備大多處于空缺或嚴重不足狀態(tài)，然而先進制造技術(shù)內(nèi)容繁雜，各種先進制造工藝、原理、理念涉及各學(xué)科的知識，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中理解和掌握比較困難；

（2）很多先進制造技術(shù)，如快速成型技術(shù)、激光加工、電火花加工、超精密加工等都已在現(xiàn)實制造業(yè)中有較廣泛的應(yīng)用，而教師在教學(xué)時一般只是講解其產(chǎn)生背景、原理、應(yīng)用，沒有相關(guān)實踐或?qū)嵱?xùn)環(huán)節(jié)，這在一定程度上嚴重影響了教學(xué)效果；

（3）目前，部分學(xué)校老師基本還是采取填鴨式的教學(xué)方法，雖然大多也采用了多媒體等手段，但教學(xué)方式方法枯燥乏味且形式單一，學(xué)生只是了解到了基本概念和原理，沒有深層次的思考，達不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的目的。

針對上述問題，筆者在個人教學(xué)體會和吸取他人相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，面向培養(yǎng)理論知識和實際應(yīng)用兼?zhèn)湫腿瞬诺哪繕?biāo)，對先進制造技術(shù)課程的教學(xué)模式和方法進行改革實踐和探討，提出理論授課和實驗課程混合開設(shè)的教學(xué)模式，以在先進制造技術(shù)課程中開展3D打印實驗為例。

2 3D打印實驗課程

2.1 3D打印機的工作原理及其特點

根據(jù)成型原理的不同，3D成型技術(shù)可以分為以下幾類：熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、光固化成型技術(shù)（SLA）、分層實體成型技術(shù)（LOM）、選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）、三維打印成型技術(shù)（3DP）等[4]。結(jié)合教學(xué)實驗的需求及兼顧設(shè)備的價格，學(xué)校通常會選購熔融沉積型3D打印機。熔融沉積成型3D打印機使用真正的工程塑料，如ABS、PLA、聚乙烯、尼龍等，運用該技術(shù)成型的零件與機械加工或者注塑模具生產(chǎn)的部件強度相當(dāng)，唯一不同的是表面光潔度，但這一缺點可通過合適的后處理來消除。

（1）熔融沉積型3D打印機的工作原理

熔融沉積成型3D打印機是將熱塑性材料在噴頭內(nèi)加熱熔化使其呈半流動狀態(tài)，在計算機的控制下，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔融狀態(tài)的材料以絲狀擠出；而后材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)下一層的沉積，直至完成整個零件[5]。

（2）熔融沉積型3D打印技術(shù)的特點

熔融沉積成型3D打印技術(shù)之所以能被廣泛應(yīng)用并得到迅速發(fā)展，因其具有以下特點：（1）打印材料廣泛。一般的熱塑性材料如塑料、蠟、低熔點金屬等都可應(yīng)用于該技術(shù)。（2）打印精度高。該技術(shù)的最高精度已達0.05mm，使用標(biāo)準(zhǔn)零件測得的平均變形僅為0.37%。（3）打印零件具有優(yōu)良的綜合性能。經(jīng)檢測，使用ABS、PLA等常用工程塑料成型的零件，其力學(xué)性能可達到注塑模具零件的60~80%。（4）該種打印機簡單、低廉、可靠性高。由于該種技術(shù)中不使用激光器及其電源，很大程度上簡化了設(shè)備，使機身尺寸大幅減小，且成本降低。（5）打印過程對環(huán)境無污染。在打印過程中所使用的材料一般為無毒、無味的熱塑性材料，因此對周圍環(huán)境不會造成污染，并且在運行過程中噪聲很低，非常適用于高校實驗教學(xué)。

2.2 3D打印實驗室配置及課程要求

本文提出理論授課和實驗課程混合開設(shè)，其目的是使學(xué)生深入地理解3D打印技術(shù)的基本原理，認識3D打印技術(shù)的工藝流程以及掌握3D打印機的結(jié)構(gòu)組成和基本操作，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高先進制造技術(shù)的教學(xué)效果。

3D打印教學(xué)實驗室需要一臺教學(xué)用3D打印機和若干臺學(xué)生用3D打印機，以及與之配套的PC機若干臺。本校采購了若干臺MakerBot Replicator 2熔融沉積型3D打印機，Replicator2采用的是MakerBot PLA耗材（多種顏色可選），這種新型生物塑料可以更牢靠的粘在打印平臺上，降低脫落，翹曲，滑動和收縮問題。

通過3D實驗學(xué)生應(yīng)該獲得以下具體的知識和技能：

（1）以熔融沉積型3D打印機為例，理解3D打印技術(shù)的基本原理；

（2）熟悉熔融沉積型3D打印機的結(jié)構(gòu)；

（3）掌握3D打印機控制軟件MakerWare的基本操作及功能；

（4）掌握3D打印機的模型制作過程，基本操作以及操作注意事項；

（5）了解3D打印技術(shù)的成型工藝；

（6）能做簡單的工藝參數(shù)優(yōu)化研究。

3 3D打印實驗教學(xué)實例分析

綜合先進制造技術(shù)及3D打印實驗課程教學(xué)經(jīng)驗，筆者對開設(shè)3D打印實驗課程有以下心得體會：

（1）3D打印實驗提高學(xué)生的動手能力及協(xié)作力。3D打印需要學(xué)生實踐操作，從設(shè)計到打印，都需要他們共同協(xié)作完成，這將促進學(xué)生動手能力和觀察能力的發(fā)展，同時提高學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力。

（2）3D打印實驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。3D打印大幅激發(fā)了學(xué)生DIY的興趣，通過3D打印機，學(xué)生將腦海中的模型轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉奈矬w，將抽象概念和設(shè)計帶入現(xiàn)實世界，使學(xué)習(xí)更加生動。

（3）3D打印實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。3D打印開發(fā)了學(xué)生的想象力，將他們的創(chuàng)造變成實物，這是推動學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極意義。

4 總結(jié)

本文依據(jù)筆者多年來的教學(xué)經(jīng)驗，分析總結(jié)了先進制造技術(shù)教學(xué)中存在的問題，闡明了在先進制造技術(shù)課程中開設(shè)3D打印實驗的可行性，并探討了實驗?zāi)康募皩嶒炇遗渲靡蟆Ｍㄟ^實踐教學(xué)，提高學(xué)生的動手能力和團結(jié)協(xié)作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積

極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力。我們將繼續(xù)探索，使先進制造技術(shù)這門課程內(nèi)容更加趨于完善，教學(xué)效果更上一層樓，并使3D打印技術(shù)得到推廣應(yīng)用，為學(xué)校教學(xué)和企業(yè)生產(chǎn)起到積極的促進作用。

參考文獻：

[1]王雪瑩.3D 打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，26：3-5.

[2]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠程教育，2013，08：83-87.

[3]李青，王青.3D打印：一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠程教育雜志，2013，04：29-35.

[4]Kulkarni P，Marsan A，Dutta D.A review of process planning techniques in layered manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal，2000，6（1）：18-35.

[5]韓霞，楊恩源.快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2012.