3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在機(jī)械工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

孫倫業(yè)++張新

摘 要： 為了培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力，基于3D打印制造技術(shù)開展了工程實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，學(xué)生通過創(chuàng)意設(shè)計(jì)、零件建模、打印制造等環(huán)節(jié)的培訓(xùn)，開闊了視野，提高了動(dòng)手能力，為構(gòu)建新型機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)體系奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 3D打印 工程實(shí)踐 創(chuàng)新思維

培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才是高等院校機(jī)械工程專業(yè)的教學(xué)宗旨。隨著世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加快重塑，如何培養(yǎng)出一批具有創(chuàng)新思想、開闊視野、扎實(shí)理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才，已經(jīng)成為我國機(jī)械專業(yè)高等教育面臨的重要課題。工程訓(xùn)練作為高校實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，以工程環(huán)境為背景，以實(shí)際操作為訓(xùn)練手段，對(duì)大學(xué)生的創(chuàng)新思維、協(xié)作精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前，國內(nèi)各高校已開設(shè)了形式多樣的工程訓(xùn)練項(xiàng)目，但為了與當(dāng)前工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)密切銜接，工程訓(xùn)練還需要設(shè)置先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)訓(xùn)模塊。

3D打印技術(shù)是上世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來一種先進(jìn)制造技術(shù)，它與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，通過增加材料逐層制造的方式，直接、快速、精確地打印出三維實(shí)體零件，為零件原型制作、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面提供了一種高效低成本的制造手段。作為一項(xiàng)前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、國防軍工、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑工程、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，并與機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)深度融合發(fā)展，成為工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展的方向。因此，在工程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中開設(shè)3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目，讓學(xué)生初步了解和掌握這門先進(jìn)制造技術(shù)，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)械工程人才，符合工程教育改革的要求，符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。為順應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展，我校機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心引進(jìn)了多種3D打印相關(guān)設(shè)備，開展了一系列工程訓(xùn)練項(xiàng)目，取得了良好的效果。

1.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)

3D打印技術(shù)有別于傳統(tǒng)的零件制造方法，它以CAD模型文件為基礎(chǔ)，通過高溫熔化固結(jié)粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，分層打印出三維零件原型，其典型的代表工藝有：光敏樹脂液相固化成形技術(shù)（SLA）、選擇性激光粉末燒結(jié)成形技術(shù)（SLS）、薄片分層疊加成形技術(shù)（LOM）、熔絲堆積成形技術(shù)（FDM）四種，其中FDM熔絲堆積成形技術(shù)因其具有的操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低、能制造任意復(fù)雜程度的零件等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展，在高校工程訓(xùn)練領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

FDM熔絲堆積成形的工藝過程是：熱熔噴頭受計(jì)算機(jī)的控制，做X-Y方向的平面運(yùn)動(dòng)，絲材送至熱熔噴頭中加熱、熔化，從噴頭擠出粘接到工作臺(tái)面上，快速冷卻凝固，每一層截面加工完成后，工作臺(tái)下降一層的高度，繼續(xù)下一層的涂覆，如此重復(fù)，直到打印出整個(gè)實(shí)體的造型。

建設(shè)3D打印實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可以使學(xué)生直觀地了解前沿先進(jìn)制造技術(shù)，掌握從概念設(shè)計(jì)到原型制造的一般工藝流程，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)中心購買的是深圳極光爾沃公司生產(chǎn)的桌面級(jí)3D打印機(jī)，使用的打印材料是PLA塑料絲材，可以確保打印出的零件模型尺寸穩(wěn)定，堅(jiān)固耐用。

2.實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開展

3D打印工程訓(xùn)練面對(duì)全校本科生，在前期培訓(xùn)過程中根據(jù)學(xué)生專業(yè)和層次，充分利用多媒體課件和視頻，并結(jié)合打印零件實(shí)物對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)講授和技術(shù)指導(dǎo)，采用多種教學(xué)方法著重介紹3D打印技術(shù)的加工過程、工藝原理和應(yīng)用特點(diǎn)，使學(xué)生深入了解3D打印技術(shù)，掌握從概念設(shè)計(jì)到零件制造的一般工藝流程。

明確實(shí)訓(xùn)任務(wù)和要求后，在指導(dǎo)教師的協(xié)助下，學(xué)生進(jìn)入實(shí)訓(xùn)階段，主要過程分為三個(gè)步驟：

（1）學(xué)習(xí)并運(yùn)用UG、ProENGINEER、SlidWorks等三維建模軟件，提交創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案，自主設(shè)計(jì)出具有一定創(chuàng)新性、實(shí)用性的作品；

（2）學(xué)習(xí)將作品模型轉(zhuǎn)換成3D打印的STL格式，并在Cura3D打印軟件中對(duì)STL文件進(jìn)行正確的切層處理及對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

（3）熟練掌握3D打印機(jī)的裝絲料、設(shè)備維護(hù)、上機(jī)打印等操作步驟，“真刀真槍”地打印出零件實(shí)物模型。

3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開展得到了積極響應(yīng)，共有機(jī)械專業(yè)123名學(xué)生參加，同時(shí)吸引了其他專業(yè)的學(xué)生實(shí)地觀摩實(shí)踐活動(dòng)。通過上述實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的實(shí)施，學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐的主動(dòng)性得到了充分發(fā)揮，自行完成了設(shè)計(jì)、建模和零件制作等環(huán)節(jié)，將理論與實(shí)際、知識(shí)與能力相融合，延伸了課堂教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到了學(xué)以致用的教學(xué)目的，為進(jìn)一步開展創(chuàng)新發(fā)明活動(dòng)奠定了思維、素質(zhì)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖3 3D打印零件實(shí)物

3.結(jié)語

3D打印技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的快速成型制造技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，通過在機(jī)械工程專業(yè)開展3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，不僅使學(xué)生接觸到學(xué)科前沿的技術(shù)，開闊了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，而且豐富了創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，拓展了人才培養(yǎng)形式，對(duì)完善高校創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的模式起到了有益的參考和借鑒作用。

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基金項(xiàng)目：安徽省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：2014jyxm136）