3D打印技術在機械教學中的應用探討

□李會玲 雷 芳

3D打印技術是基于材料堆積原理的快速成型過程，先通過計算機建模，再將建成的三維模型分區成逐層的截面，從而指導打印機逐層打印。3D打印因為能打印復雜的、傳統方法制造流程繁瑣的產品和成型速度快等優點，在個性化定制、創客等方面得到快速發展[1～2]。當前，快速成型設備類型很多，包括立體光刻成型、熔融堆積成型、分層實體加工、選擇性激光燒結等。其中熔融沉積成型技術(FDM)是將熱塑性材料熱熔后擠出堆積成型，應用較為廣泛。針對機械制造與自動化專業人才培養方案需求，本文對3D打印技術在機械教學中的應用展開了探討。

一、3D打印創新實驗室建設

3D打印創新實驗室以機械專業人才培養為宗旨，與專業課程相結合，為教師和學生提供創客空間。3D打印創新實驗室可以滿足學生完成產品的設計、打印和后期處理等，使產品有一定的功能和作用。這個學習過程以學生為中心，教師為主導，通過教學實踐活動培養學生的思考能力、動手能力和分析解決問題能力。思考能力是一切學習的基礎能力，動手能力是將已學知識轉化為實踐，解決問題是培養學生職業技能的有效方式[3]。

根據教學需要，建設了3D打印創新實訓室，實訓室面積約為100m2，配備55臺電腦，能滿足一個教學班，共購置20臺教學用3D打印機，其中有5臺并聯臂3D打印機，購置2套三維掃描儀，用于逆向采集數據用。按照3D打印的工作內容，將場地分為以下區域：逆向三維數據采集區、三維模型建模區、3D打印區、成品處理區和作品展覽區。學生利用三維掃描儀掃描產品，得到數據，然后在三維模型建模區用UG、PROE等軟件做出產品模型，或直接在三維模型區做出產品模型，接下來用Cura軟件完成切片處理得到數據，輸入3D打印機，完成打印，打印完成后在成品處理區去毛刺、噴涂等，根據產品的功能需求完成。

二、3D打印機械機構

傳統教學對《機械設計》課程中的知識點“曲柄導桿機構”，一般是通過課本講解、畫二維平面圖和看視頻的方式來學習。有了3D打印創新實驗室后，對此課程進行了教學改革，教學過程中對學生進行分組，按照提出任務、分析原理、邊學邊做、創新設計的步驟開展。首先由教師提出任務，學生分組對任務進行分析討論，根據討論結果繪制草圖，然后完成三維模型和打印，接下來進行組裝，最后進行評價和檢驗，對于不合理的機構學生需重復任務分析，直至建立的機構合理可用，對于能有創新完成的機構則有加分，鼓勵學生的創新。如圖1所示，為學生完成的曲柄導桿機構。通過這種教學方式，學生以小組為單位，在教師的指導下分析討論機械原理，通過做中學，學中做，合作完成機構的設計、打印和裝配，得到一套完整的機構，在實踐的過程中，完成了認知知識和理解知識，為應用知識打下良好的基礎。這種學習方式收獲的學習效果是牢固的，不容易被遺忘，在后續的相關課程和應用中也體現了這一點。

圖1 曲柄導桿機構

三、3D打印完成產品設計

塑膠產品一般是經模具批量生產得到，塑膠產品設計時必須考慮塑料零件的結構工藝性，以保證順利成型。比如塑料零件的結構設計中對壁厚、斜度、加強筋、支承面、圓角、孔等的設計要求，在保證產品功能的前提下，壁厚要均勻，減少應力集中，塑件的內外表面應盡量避免側孔、側凹或與零件脫模方向垂直的孔，相應的模具也簡單；薄殼狀零件在適當的位置設加強筋增加零件的強度和剛度，防止變形。驗證產品的結構設計是否合理，是一個教學難點，通過3D打印快速制造出產品，可以直觀地看出壁厚、孔和加強筋等設置是否合理，可以驗證產品結構是否合理[4]。

借助3D打印，在產品設計的課程上，教師布置任務是設計并制造一輛有動力的車，首先讓學生按自己的創意及想法設計車的外形和結構，并手工繪制外形草圖，然后通過3D造型軟件進行數字建模，再用3D打印機打印出來，打印出來后去毛刺、裝配，然后裝上電路板和電池，實現電動控制，可以通過遙控控制前進，如圖2所示。由于有了實體模型，學生很容易根據產品造型分析其結構工藝性是否合理，車身結構是否能滿足需要。同時，在設計和制造的過程中，學生是活動的主體，在任務的驅動下積極完成車的造型和加工，能發現車結構工藝性是否合理，并能將所學產品設計、電工基礎等課程中知識點應用上，做到了綜合應用所學知識，做出造型美觀、結構合理的車，完成了教學目標，培養了學生分析問題、解決問題的能力。

圖2 卡丁車

四、3D打印培養學生參加創新競賽

3D打印創新實訓室提供了將設計、創意變成產品的一個空間。為了鼓勵更多的學生走進實驗室，參與3D打印的創作，每周定3次時間對學生開放，學生經預約進場，有專業教師在場提供技術指導。在這種寬松的管理模式下，為學生提供了創新創作的場所，學生以團隊為單位在這樣一個環境中將設計變成有一定功能的產品，完成了從理論到實踐的轉化，完成了從學習到創作的升華。經過這一年的實踐，有更多的學生受益，學生自主設計并打印出來的無動力小車，造型美觀、無外動力條件下能滑行數米，如圖3所示，在市大學生科技創新節無動力環保小車設計與制作競賽決賽中獲得三個二等獎和兩個三等獎；學生設計的“家居寶”空氣檢測儀，外觀流線型設計造型美觀，內部有五個區域用來放電路板檢測空氣，在廣東職業院校創新創效創業大賽中獲得三等獎。

圖3 無動力小車 圖4 空氣檢測儀

五、3D打印在機械專業中的應用展望

結合機械專業人才培養目標，3D打印培養了學生的動手能力和實踐能力，將抽象的、難以理解和掌握的知識轉化為具體的、能動起來的、容易理解的實物，能很好地激發學生的興趣，提高學習效果，值得大力發展和推進。今后，在平時的教學中，在掌握基礎知識的基礎上，還需要更多地鼓勵學生創新，培養創新意識，做出有更多意義的作品，完成知識的升華。教師要善于設計一些有代表性、有趣味性、有創意的載體作為學習任務，發揮3D打印的優勢，突破教學重點和難點，培養學生的創新意識，讓3D打印更好地為教學服務。