基于FDM技術(shù)的機(jī)械專業(yè)多元化教學(xué)

楊麗

摘 要：為了能夠更好地適應(yīng)應(yīng)用型本科發(fā)展要求，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，本文提出了把FDM工藝概念與機(jī)械專業(yè)教學(xué)相結(jié)合的新型模式。首先與相關(guān)課程進(jìn)行結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛(ài)好，其次與競(jìng)賽相結(jié)合，提高學(xué)生參加競(jìng)賽動(dòng)力和獲獎(jiǎng)可能，最后和教師的授課過(guò)程相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和領(lǐng)悟。實(shí)踐證明該方法能獲得較好的效果。

關(guān)鍵詞：FDM ;打印;教學(xué) ;創(chuàng)新

0 引言

FDM即熔融堆積成型技術(shù)是應(yīng)用較多的快速成型技術(shù)之一，因其具有后處理簡(jiǎn)單、加工過(guò)程中不使用激光，加工速度較快等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。其操作安全，價(jià)格低，目前此種加工工藝設(shè)備廣泛應(yīng)用于大專院校實(shí)驗(yàn)室。如圖1所示為常采用的雙噴頭成型設(shè)備，一個(gè)噴頭用于打印模型，另一個(gè)噴頭用于打印模型支撐。

FDM的基本加工過(guò)程包括：三維模型的構(gòu)建（通過(guò)三維軟件或者實(shí)物三維掃描）、模型的分層處理、模型的打印、模型的后置處理，是一種把模型從三維轉(zhuǎn)換到二維再實(shí)現(xiàn)三維的一種加工技術(shù)。它可以將材料單元堆積成實(shí)體，能獲得較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

為了增強(qiáng)FDM設(shè)備的利用率，培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才，我校將配置有FDM打印設(shè)備的3D打印實(shí)驗(yàn)室設(shè)置成開放實(shí)驗(yàn)室，讓同學(xué)們能較方便地使用此種設(shè)備。但由于種種因素的限制，實(shí)際利用率仍然不高，未能充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性。面對(duì)這種現(xiàn)狀，考慮把FDM工藝與機(jī)械專業(yè)教學(xué)的多方面進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到高利用率和對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

1 FDM與機(jī)械CAD課程的結(jié)合

機(jī)械CAD是我校在大二下學(xué)期和大三上學(xué)期開設(shè)的課程，面對(duì)的對(duì)象有工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程專業(yè)方向等。講授的軟件包括pro-e與solidwprks。此兩種三維軟件易于上手，但是要熟練使用還需要同學(xué)在課后的訓(xùn)練。以往對(duì)課后的監(jiān)控難以實(shí)現(xiàn)，只能通過(guò)最后的考核來(lái)反映平時(shí)的練習(xí)情況，較為被動(dòng)。為此可從以下兩個(gè)方面將FDM內(nèi)容與三維軟件課程相結(jié)合，一方面提高學(xué)生的興趣，一方面達(dá)到熟練操作軟件的目的。

1.1 與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合

上機(jī)類課程一般分為兩部分，一部分為理論教學(xué)，另一部分為上機(jī)操作。但是在上機(jī)操作中學(xué)生也只是掌握老師所講授的命令，想通過(guò)課程中的這點(diǎn)時(shí)間來(lái)熟練軟件是很難辦到的。對(duì)于軟件類的課程，想要熟練掌握則必須花大量的時(shí)間練習(xí)，但由于學(xué)生對(duì)于課程的興趣不大，所以課后主動(dòng)學(xué)習(xí)的較少。

針對(duì)這種現(xiàn)象，主要任務(wù)就是解決如何培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于三維繪圖軟件的興趣愛(ài)好這個(gè)問(wèn)題。為了激發(fā)興趣，可以讓同學(xué)們以興趣小組的形式，將上機(jī)操作的實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。每次2到3組，從簡(jiǎn)單圖形的繪制打印開始，讓同學(xué)將自己繪制的圖形進(jìn)行FDM制作，并允許同學(xué)自己留存紀(jì)念。通過(guò)自己動(dòng)手來(lái)體會(huì)建模的快樂(lè)和成就感，這種效果比教師的苦口婆心要強(qiáng)很多。

1.2 考核方式的創(chuàng)新

我校對(duì)于機(jī)械CAD的考核方式采用的是平時(shí)分30%，期末70%的考核方式，此種方式檢驗(yàn)手段過(guò)于單一，只能檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)相關(guān)命令的掌握情況。因此，可以采用大作業(yè)的方式，將FDM所屬的快速成型課程和機(jī)械CAD課程相統(tǒng)一，建立實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，用大作業(yè)的結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)CAD課程及快速原型課程的學(xué)習(xí)情況。在完成大作業(yè)期間，學(xué)生可以自己找素材，繪制感興趣的模型，并打印成型。模型的復(fù)雜程度及成型件的質(zhì)量放入在考核體系評(píng)價(jià)指標(biāo)中。這樣，一方面調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生的興趣。徹底改變以教室、教材為中心，填鴨式的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2 FDM與各項(xiàng)大賽之間的緊密結(jié)合

學(xué)校一直提倡和鼓勵(lì)同學(xué)們參加各種形式的競(jìng)賽，以賽促學(xué)。如全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽、節(jié)能減排大賽等等。學(xué)生們的積極性和參與度也在逐年提升。但如何在競(jìng)賽中獲得較好的名次，是教師和學(xué)生同時(shí)思考的問(wèn)題。一個(gè)好的設(shè)計(jì)不是一蹴而就的，它需要不斷的改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)、再改進(jìn)、再實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中需要投入一定的時(shí)間和金錢。但往往學(xué)校由于經(jīng)費(fèi)的限制，難以給學(xué)生充分的支持?？紤]到FDM工藝在進(jìn)行加工過(guò)程中不需要材料裝夾、刀具安裝、人工操作等特點(diǎn)，使得它能夠較快地獲得設(shè)計(jì)的成品，并可以對(duì)成品進(jìn)行裝配并開展實(shí)驗(yàn)，因此，可以基于FDM工藝來(lái)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。具體實(shí)施方案如下所示。

（1）成立競(jìng)賽小組，小組內(nèi)成員分工

（2）建立各零件的三維模型

（3）FDM制件成型，各零件組裝。

（4）實(shí)驗(yàn)操作

（5）反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案

（6）機(jī)加工成型

（7）準(zhǔn)備參賽

3 FDM進(jìn)行教具的制作

三維模型教具可以給學(xué)生帶來(lái)更加立體的認(rèn)知感受，相比于ppt中的圖片更加直觀，學(xué)生也更加易于接受和掌握相關(guān)教學(xué)點(diǎn)。但傳統(tǒng)教具的制作成本高，更新周期長(zhǎng)，不能得到廣泛應(yīng)用，阻礙了學(xué)生通過(guò)教具學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)。在這種情況下，教師使用教具的頻率越來(lái)越低。為了改善這種現(xiàn)象，特提出以下幾種方法，通過(guò)教具使用增強(qiáng)教學(xué)效果。

3.1 教師直接打印教具

在互換性與技術(shù)測(cè)量課程中，需要向?qū)W生介紹不同配合種類的應(yīng)用，介紹量規(guī)的使用等等，攜帶大量的量具和工件作為教具十分不方便。而FDM打印件為塑料件，重量輕，易于攜帶，教師可以直接利用設(shè)備打印成型。并且由于在互換性與技術(shù)測(cè)量課程中，主要零件為一些孔、軸類零件，所以建模簡(jiǎn)單，易于獲得合格的產(chǎn)品。

3.2 讓學(xué)生參與教具的打印

對(duì)于一些學(xué)生較難掌握的教學(xué)點(diǎn)，可以利用三維模型的建立及教具的打印來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。如機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)中金屬切削刀具的幾何參數(shù)，要求學(xué)生理解和掌握刀具的各切削面及切削角度，如圖2所示。傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，這部分知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高，很多同學(xué)對(duì)這一部分的知識(shí)理解不了也記不牢。如果能讓學(xué)生自己參與建模并打印，在繪圖與打印的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)進(jìn)行思考，隨后看到實(shí)物則會(huì)較容易地理解什么是前刀面、什么是后刀面，哪個(gè)是主切削刃。這種方法能夠減小學(xué)習(xí)的難度，提高學(xué)習(xí)的效果。

3.3 特殊教具的打印

在機(jī)械故障診斷課程中，需要對(duì)相關(guān)故障的原因進(jìn)行分析，如齒輪的磨損、刀具的積屑瘤等等，這種很難使用真實(shí)教具，即使購(gòu)買了真實(shí)教具其經(jīng)濟(jì)性也很差。為了使學(xué)生能有更直觀的了解，可以直接使用FDM打印出所需要的模型。這種模型不需要很高的精度，只要能通過(guò)外形反映出相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)即可。再具體操作中，也可以把這一部分的任務(wù)放在FDM與三維繪制課程的實(shí)訓(xùn)中，讓學(xué)生挑選相應(yīng)的故障模型進(jìn)行建模，以便獲得更好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用型和創(chuàng)新性是一所應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)學(xué)生的主要目標(biāo)，如何達(dá)到這個(gè)目標(biāo)也是每位教育工作者常常思考的問(wèn)題。本文從三個(gè)方面進(jìn)行探究，即FDM工藝與課程的結(jié)合、與競(jìng)賽的結(jié)合和教學(xué)手段的結(jié)合，通過(guò)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)際運(yùn)用，已取得了較好的效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增厚，參加競(jìng)賽積極，并且在競(jìng)賽中也獲得了較好的成績(jī)。

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