3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

桂　亮, 金　悅, 趙衛(wèi)軍, 郭　婷, 張　俊

(西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 陜西 西安　710049)

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3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

桂亮, 金悅, 趙衛(wèi)軍, 郭婷, 張俊

(西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 陜西 西安710049)

隨著高校創(chuàng)客教育的推行和3D打印技術(shù)的發(fā)展,各高校紛紛探索3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。基于以創(chuàng)客為培養(yǎng)目標的教育理念,介紹了3D打印技術(shù)在各層次實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用情況。實踐表明,將3D打印技術(shù)融入到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)“中國創(chuàng)客”奠定了基礎(chǔ)。

3D打印技術(shù)； 實踐教學(xué)； 創(chuàng)客

在機械工程專業(yè)領(lǐng)域,學(xué)生的實踐教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過多年的發(fā)展,從一般的課程基礎(chǔ)實驗發(fā)展到了課外的創(chuàng)新實驗,引導(dǎo)學(xué)生出于興趣與愛好,根據(jù)自己在課堂中學(xué)到的基本知識與原理,努力把各種創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品與結(jié)構(gòu),這也是目前社會的一個主流概念——“創(chuàng)客”(maker)的內(nèi)涵,它是以用戶創(chuàng)新為核心理念,是創(chuàng)新2.0模式在設(shè)計制造領(lǐng)域的典型表現(xiàn)。隨著高校創(chuàng)客教育的推行,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才成為高校的培養(yǎng)目標[1]。

1　3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

先進的設(shè)計與制造技術(shù)為創(chuàng)客的培養(yǎng)提供了利器,其中日益發(fā)展并成熟的3D打印技術(shù)已成為創(chuàng)客創(chuàng)業(yè)不可缺少的手段[2]。目前,一些國家和組織已開始探索3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。如英國教育部開展了一項為期一年的試驗項目,以21個學(xué)校為試點,將3D打印技術(shù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)、物理、工程和設(shè)計等課程中,從而探索3D打印的教學(xué)應(yīng)用,推動教學(xué)創(chuàng)新[3]。2012年初,美國政府規(guī)劃未來4年內(nèi)在1 000所學(xué)校引入“創(chuàng)客空間”,配備3D打印機和激光切割機等數(shù)字制造工具,通過實踐培養(yǎng)新一代的設(shè)計師和生產(chǎn)創(chuàng)新者[2]。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長羅軍在第二屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會上表示:“近期,教育部正在制訂方案,讓3D打印機走進學(xué)校,促進3D打印教育普及。同時,科技部、工信部也正在探討3D打印產(chǎn)業(yè)化問題。”在國內(nèi)高校,河北工業(yè)大學(xué)構(gòu)建了適用于3D打印實驗室的開放教學(xué)體系,以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力[4]；遼寧工業(yè)大學(xué)也將3D打印技術(shù)引入到大學(xué)生的創(chuàng)新實驗中,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]；此外,還有很多高校利用3D打印技術(shù)來完善現(xiàn)行的教學(xué)用具和教學(xué)內(nèi)容[6-8]。正是由于3D打印技術(shù)的特點,這些年，我校機械基礎(chǔ)實驗國家級教學(xué)示范中心也將3D打印技術(shù)引入到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,為學(xué)生構(gòu)建了“創(chuàng)新設(shè)計”與“快速制造”之間的橋梁,為創(chuàng)客型大學(xué)生的培養(yǎng)提供了支持。

2　3D打印技術(shù)及特點

目前的所謂3D打印技術(shù)是一種廣義上的概念,又稱增材制造(additive manufacturing,AM),是一種通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)逐層累加材料的方法制造實體零件的技術(shù),相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù),是一種“自下而上”的材料累加制造方法[9]。

3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺專門設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實現(xiàn)“自由制造”,解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成型,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期。這一技術(shù)特點決定了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中具有顯著的作用,使設(shè)計擺脫了傳統(tǒng)技術(shù)可制造性的約束,給創(chuàng)新設(shè)計釋放了巨大的空間。

3　3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

根據(jù)我院2010版新版本科培養(yǎng)方案的理念“注重知識的融會貫通,強調(diào)通識與專門知識的融合,強調(diào)工程實踐能力”,機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)國家級示范中心對原有的實驗教學(xué)體系進行了徹底改革,構(gòu)建了符合卓越工程師培養(yǎng)的3層次實驗教學(xué)體系:課內(nèi)實驗、CDIO實驗、科研創(chuàng)新實踐[10]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實踐環(huán)節(jié),一方面可以讓學(xué)生接觸到前沿技術(shù),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面,為實踐環(huán)節(jié)中的實物制作提供了更多的選擇。因此,我中心近年來建設(shè)了3D打印創(chuàng)新實驗室和創(chuàng)客平臺,面向全校學(xué)生開放,為創(chuàng)客的培養(yǎng)提供了支撐。

3.1機械設(shè)計基礎(chǔ)綜合實驗

機械設(shè)計基礎(chǔ)一直是我校非常重視的課程,其中的實踐環(huán)節(jié)尤其受到重視。以創(chuàng)新設(shè)計為平臺融合3D打印技術(shù),有效地實現(xiàn)“基礎(chǔ)知識—創(chuàng)新設(shè)計—快速制造—評估改進”全鏈條體驗的機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)改革。以“機械工程背景驅(qū)動、設(shè)計創(chuàng)意模式多樣、制作成本相對低廉”為原則,針對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程所包含的內(nèi)容,以課程為主線,選擇3～5種典型機械產(chǎn)品,引入3D打印完成完整的設(shè)計與制作,為學(xué)生構(gòu)建了“創(chuàng)新設(shè)計”與“快速制造”之間的橋梁。圖1為學(xué)生在實驗過程中制作的部分零件。

圖1　實驗過程中學(xué)生設(shè)計制作的零件

3.2基于3D打印開設(shè)開放創(chuàng)新實驗

針對3D打印技術(shù)面向全校本科生開設(shè)了開放創(chuàng)新實驗“創(chuàng)意結(jié)構(gòu)CAD—CAE—3D打印的快速實現(xiàn)”,旨在對學(xué)生進行技能培訓(xùn),為后期更高層次的實踐環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。本實驗分為3個階段:第一階段指導(dǎo)和培訓(xùn)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握一種常用的三維建模軟件,如Pro/E、Inventor、SolidWorks等,并完成創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作；第二階段學(xué)習(xí)和初步使用CAE軟件,如ANSYS,進行創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析,并完成創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的簡單結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作；第三階段學(xué)習(xí)和使用3D打印機,了解3D打印的原理和工作過程,并采用3D打印技術(shù)制作出創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的實物。通過3個階段的實驗,讓學(xué)生認識和掌握創(chuàng)意結(jié)構(gòu)或新產(chǎn)品快速開發(fā)的新方法,體會到CAE和3D打印技術(shù)對于新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要性。圖2為學(xué)生設(shè)計制作的欠驅(qū)動機械手。

3.3支撐CDIO“機械創(chuàng)新設(shè)計”類課程

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果,是“做中學(xué)”和“基于項目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達。CDIO代表構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(design)、實現(xiàn)(implement)和運行(operate),它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式進行工程學(xué)習(xí)[11]。

我校機械工程學(xué)院2010版培養(yǎng)方案規(guī)定,機械自動化專業(yè)學(xué)生必須完成CDIO機械創(chuàng)新設(shè)計項目,整個項目為期1年,3～4個學(xué)生一組。學(xué)生基于興趣,通過調(diào)研提出具有工程應(yīng)用背景的選題,結(jié)合應(yīng)用背景提出設(shè)計目標,進行方案設(shè)計和實物制作。學(xué)校每年設(shè)立的大學(xué)生創(chuàng)新基金(每組學(xué)生獲得5 000元以內(nèi)的資助)為學(xué)生的創(chuàng)意實施提供了保證。

項目的整個過程貫穿了CDIO的教學(xué)理念,突出了實踐能力和工程能力的培養(yǎng)。3D打印為CDIO作品的制作提供了支持,它由CAD模型直接驅(qū)動快速完成任意復(fù)雜形狀的零件,一些傳統(tǒng)機加工無法完成的零部件通過3D打印可以容易地實現(xiàn),是產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的有效工具。例如2012級學(xué)生設(shè)計制作的“創(chuàng)意早餐3D打印機”和“基于單片機控制的啟動機械手”中的部分零件是3D打印出來的,如圖3所示。

圖2　學(xué)生設(shè)計制作的欠驅(qū)動機械手

圖3　學(xué)生設(shè)計制作的部分CDIO項目作品

3.4支撐各類大賽

全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國大學(xué)生機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽、工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計大賽等各類比賽，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要實踐環(huán)節(jié)之一。3D 打印技術(shù)可以快速、精確地將學(xué)生的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿漠a(chǎn)品原型,為學(xué)生的個性化參賽作品的快速實現(xiàn)提供了保障。例如:第五屆全國大學(xué)生機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽，我校一等獎獲獎作品“愛拼機器人”利用3D打印技術(shù)將作品實現(xiàn)；第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計邀請賽獲獎作品(見圖4)中的部分零部件，采用3D打印技術(shù)實現(xiàn)。

圖4　第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計邀請賽獲獎作品

3.5實踐效果

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入3D打印技術(shù),提高了學(xué)生參與項目的積極性,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意靈感,增加了實踐教學(xué)的途徑,為個性化的實物制作提供了方便,對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和工程能力起到了很好的作用。自2012年以來,所指導(dǎo)的本科生設(shè)計制作出實物作品13項；申請校級大學(xué)生創(chuàng)新基金9項、省級大學(xué)生創(chuàng)新基金6項、國家級大學(xué)生創(chuàng)新基金4項；申請國家發(fā)明專利3項,其中1項已授權(quán)。設(shè)計制作出的作品在第六屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中獲全國一等獎4項、省級一等獎7項、二等獎7項；在第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計邀請賽中榮獲特等獎1項、一等獎1項、二等獎1項。

4　結(jié)論與展望

十八大報告明確提出要實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，堅持走中國特色自主創(chuàng)新道路，以全球視野謀劃和推動創(chuàng)新。4年大學(xué)培養(yǎng)體系中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因為它是高校培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、工程意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要環(huán)節(jié)。以創(chuàng)新設(shè)計為平臺,將3D打印技術(shù)融入到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力,為“中國創(chuàng)客”奠定了基礎(chǔ)。未來隨著3D打印技術(shù)的進一步發(fā)展及其在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用,將為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮進一步的作用。

References)

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Application of 3D printing technology to Maker practical teaching

Gui Liang，Jin Yue，Zhao Weijun，Guo Ting，Zhang Jun

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China)

Practical teaching is one of the most important links to realize the cultivation of creative talents. With the promotion of Maker education and the development of 3D printing technology, many colleges and universities start to explore the application of 3D printing in the field of education. Taking National Basic Experimental Teaching Demonstration Center at Xi'an Jiaotong University as an example, and based on the educational philosophy of taking Maker as a cultivation objective, the application of 3D printing technology to practical teaching at different levels is introduced. The practice proves that the students' interest is stimulated and their innovative ability is trained by integrating 3D printing technology into practical teaching, which paves a way for the cultivation of “China Maker”.

3D printing technology; practical teaching; Maker

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.045

2016-04-11修改日期：2016-06-11

西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目(1508Z)

桂亮(1980—),女,江西九江,碩士,工程師,主要研究方向為機械設(shè)計及實驗教學(xué).E-mail：guiliang@xjtu.edu.cn

TH164

A

1002-4956(2016)10-0181-04