3D打印技術在《航空儀表設備》課程教學中的應用

孫文柱 曲建嶺 高峰 袁濤 郭超然

摘要：針對《航空儀表設備》課程中裝備體積小、結構復雜、設計精密，不利于課堂講解示范的問題，提出了將3D打印教具應用于《航空儀表設備》課程教學。首先分析了3D打印技術的特點和原理，然后介紹了3D打印的過程，最后將3D打印教具應用于《航空儀表設備》課堂教學。實踐表明：3D打印教具的參與可以強化課堂互動，增強學生空間想象能力，拓寬學生思維空間，進而提高學生的學習效果。

關鍵詞：3D打印；教具；課程教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0092-03

一、引言

《航空儀表設備》是一門理論與實踐緊密結合的課程，其特點是突出設備構造與原理的理解和掌握，而課程中所涉及的儀表及其零部件大多具有體積小、結構復雜、設計精密等特點，課堂教學普遍存在著無實裝實物、零部件難以拆卸安裝、零部件體積小不利于觀察等困難。目前教員授課主要采用幻燈片展示圖片和動畫等手段，缺乏實物感，從而影響教學效果。另一方面，目前普遍缺乏新裝設備，課堂上急需相應的替代品。隨著3D打印技術的不斷完善和打印成本的降低，將3D打印的模型應用于課堂教學成為可能。使用3D打印技術可以打印出大小合適、重量輕便的教具，此類教具具有不受地點限制、便于演示、可拆裝的特點，在課堂上使用這樣的教具可以使學員更容易理解設備的原理和構造，加深學員印象，進而提高課堂教學質量。另外，3D打印技術可以打印出新式裝備結構，從而彌補新裝設備不足帶來的制約。本文通過將3D打印技術應用于《航空儀表設備》課程教學，改善了教學方式方法，提高了教學質量和教學效果。

二、3D打印技術介紹

3D打印又名增材制造（additive manufacturing，AM），是近年來興起的一種快速成型技術，具有周期短、成本低、加工靈活等特點。3D打印具有廣闊的應用前景，在課堂教學、產品設計、模具設計與制造、材料工程、醫學研究、文化藝術、建筑工程等方面都有廣泛的應用。3D打印過程是在計算機的控制下，逐層堆積或固化材料，最終制造出立體工件。3D打印出的工件形狀非常靈活，幾乎可以是任意形狀，許多傳統加工方法不能加工或難于加工的形狀都可以由3D打印機輕松打印出來。目前3D打印技術主要分為FDM熔融層積成型技術、3DP微滴噴射成形技術、SLA立體平版印刷技術和SLS選區激光燒結技術等。FDM熔融層積成型技術是以條狀的熱熔性材料為原料，打印過程中將材料加熱融化并從噴頭擠出。在計算機的控制下，按照預定路線在一個層面上繪制出輪廓信息，一層完成后噴頭提高一個分層厚度或工作臺降低一個分層厚度進行下一層繪制。如此反復直到整個工件完成。FDM技術的優點在于成型材料種類多、精度較高。3DP微滴噴射成形技術使用粘結劑配合粉末材料成形，打印過程中在一個層面均勻鋪設粉末，然后使用噴頭將粘結劑噴涂到粉末上形成一個輪廓信息，逐層反復直到整個工件完成。3DP技術色彩靈活，可以打印全彩色3維模型。SLA立體平版印刷技術以液態光敏材料為原料，計算機控制激光在一個層面上對原料進行照射，原料產生光聚合反應固化形成一個截面。逐層反復直到整個工件完成。SLA技術的優點為成型速度快、工件精度高。SLS選區激光燒結技術以粉末為原料，計算機控制激光在一個層面上對原料進行照射，原料高溫燒結固化形成一個截面。逐層反復直到整個工件完成。SLS技術的優點為材料種類多，工件強度高。

三、3D打印過程

3D打印可以分為四個步驟：建模、格式轉換、打印和后處理。

1.建模。3D打印的第一步是在計算機中建立三維模型。目前建模主要有3種方式：①使用3Ds Max、Solidworks、AutoCAD等3維建模軟件建模；②使用3維掃描儀建模；③使用AutoDesk 123D Catch、Agisoft PhotoScan等攝影測量與建模軟件建模。本文采用第一種方式進行建模，部分《航空儀表設備》課程教具的3Ds Max設計模型如圖1所示。

2.格式轉換。3D打印的第二步是將3維模型轉化為STL格式文件。STL文件格式是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一個接口協議，是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式。STL文件由多個三角形面片的定義組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個定點的三維坐標及三角形面片的法矢量。STL文件創建完成后將生成Gcode代碼，Gcode代碼包含有切片信息，是一種數控編程語言，其中可以設定支撐、層厚、建造方向等參數。CURA軟件中顯示的STL模型如圖2所示。

3.打印。3D打印的第三步是將Gcode代碼載入3D打印機。載入后，3D打印機就可以按照預定程序逐層打印工件了。打印過程中注意保證原料充足，進料順暢。打印時間由工件大小、打印方式、材料、精度決定。3D打印過程如圖3所示。

4.后處理。3D打印的第四步是后處理。打印后的工件會存在多余支撐、毛刺等問題，需要進行清潔和打磨，打磨后工件完成，如有需要還可以進行上色。部分《航空儀表設備》課程教具的最終效果如圖4所示。

四、教學實踐應用及效果

《航空儀表設備》課程要求學員系統掌握航空儀表設備的功用、結構組成、系統控制關系、信號流程與電路走向、故障模態與可能原因、維護基本要求等，從而形成進行專業工作的工程思維意識、設備工作狀況分析基本能力、通電與檢查基本操作方法與實施機務準備基本技能等專業能力。近年來，我們將3D打印教具在《航空儀表設備》課程教學過程中進行了應用。實踐證明，這可以大大拓寬學生思維空間，增強學生空間想象能力，提高學習興趣，激發學習積極性，強化課堂互動，從而使學員能夠迅速地掌握航空儀表設備的原理和構造，提高學習效果。

參考文獻：

[1]Huleihil，M.，3D printing technology as innovative tool for math and geometry teaching applications.5th Global Conference on Materials Science and Engineering，2017，（164）：1-8.

[2]Hall，S.，et al.，A pilot study assessing the value of 3D printed molecular modelling tools for pharmacy student education.Currents in Pharmacy Teaching and Learning，2017，（9）：723-728.

[3]Huang，T.-C.and C.-Y.Lin，From 3D modeling to 3D printing：Development of a differentiated spatial ability teaching model.Telematics and Informatics，2017，（34）：604-613.

[4]鄭濤.3D打印技術在工業設計專業教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，4（15）：225-226.

[5]李萌，et al.3D 打印技術及典型病例數據庫在骨科教學中的應用[J].中國醫學教育技術，2016，30（1）：95-98.