3D打印技術(shù)在力學(xué)方面的創(chuàng)新與應(yīng)用

張發(fā)強(qiáng)，馮永哲，李延君

(長春工程學(xué)院，長春 130012)

1 力學(xué)課堂教學(xué)存在的問題

1.1 課堂教學(xué)手段較為單一

在傳統(tǒng)力學(xué)課堂中，教師通過在黑板上畫圖板書或PPT教學(xué)的教學(xué)手段，學(xué)生是只能通過空間想象或課堂PPT中動畫來理解，而不能通過實(shí)際操作動手理解。久而久之，學(xué)生欠缺自我動手能力，不利于學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，缺乏工程思維，并不能很好地理解和吸收力學(xué)基礎(chǔ)知識，導(dǎo)致無法高效順利的解決問題。

1.2 學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)

在傳統(tǒng)力學(xué)課堂中，通常往往是由教師主導(dǎo)講授知識，學(xué)生總是處于一種被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。教學(xué)過程中教師與學(xué)生之間思維傳導(dǎo)的不對稱性，造成不少學(xué)生在課程過半時產(chǎn)生負(fù)面因素，比如會產(chǎn)生厭倦的心理，從而開始抵觸課堂，降低了他們的學(xué)習(xí)興趣，甚至于開始對課堂教學(xué)產(chǎn)生質(zhì)疑，出現(xiàn)上課睡覺玩手機(jī)下課抄作業(yè)消極學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，很難保證課程教學(xué)的質(zhì)量。

1.3 學(xué)生對力學(xué)實(shí)驗(yàn)不重視

其中力學(xué)課程中實(shí)驗(yàn)課時少，所占課程成績比重低，學(xué)生不認(rèn)真對待力學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報告應(yīng)付了事，不能通過實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，深入理解理論知識和公式，無法在實(shí)驗(yàn)中鍛煉自我動手能力和綜合實(shí)踐能力。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印是一種快速成型技術(shù)，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以逐層打印的方式來構(gòu)造物體的應(yīng)用技術(shù)。它具有環(huán)保、安全、精度高、耐用、價格較低等優(yōu)勢，它可以實(shí)際需求進(jìn)行定制化設(shè)計，師生通過進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，根據(jù)自己所想的做出自己想要的物件，靈活多變，也方便學(xué)生的實(shí)踐。將3D技術(shù)運(yùn)用在力學(xué)教具制作設(shè)計上將其可定制充分發(fā)揮。

3 3D打印在力學(xué)教具方面的應(yīng)用舉例

3.1 以剛體平面運(yùn)動為例

圖1 平行四連桿機(jī)構(gòu)

如圖1所示，三角剛片ABC與桿O1A，O2B鉸接，桿O1A繞鉸O1轉(zhuǎn)動，桿O2B繞鉸O2轉(zhuǎn)動，那么剛片ABC的運(yùn)動情況是怎樣的？那么我們運(yùn)用速度瞬心法來簡單分析一下，其步驟如下：

第一，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。第二，求瞬心的位置，VA、VB速度指向不同，兩速度公垂線的交點(diǎn)即為此刻的瞬心。第三，求出相對瞬心的速度。第四，求構(gòu)件的絕對速度或角速度。

這些就是解這類題目的基本步驟，但是就這個基本步驟卻涉及到瞬心這個抽象概念的理解，對于那些三維空間想象能力較差的同學(xué)來說無異于就是難于登天，那我們?nèi)绾螏椭麄兘鉀Q問題呢？我們可以用3D打印出來的教具去幫助他們。

首先，我們提前建立三維模型，利用3D打印將該教具打印出實(shí)物，為提前進(jìn)入課堂演示做準(zhǔn)備，模型如圖3、4所示：

圖3 3D打印的平行四連桿機(jī)構(gòu)

圖4 碳棒結(jié)構(gòu)

然后，我們將打印好的模型帶進(jìn)課堂，同學(xué)們可以按照題目要求將O1, O2固定在底座上，固定之前在底座上先預(yù)鋪一張白紙，然后撥動O1A桿，使其整個系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)動。

最后，隨著整個構(gòu)件的轉(zhuǎn)動，安裝在ABC三點(diǎn)的碳棒如圖4將會在我們預(yù)先鋪好的白紙上留下一道道清晰的運(yùn)動軌跡。這樣一來，整個三角剛片的三個點(diǎn)的運(yùn)動情況將會非常清晰地展現(xiàn)在同學(xué)們的眼前，從而幫助同學(xué)們更好更快更高效地解決問題。

3.2 以行星輪系運(yùn)動為例

解決此類問題，我們進(jìn)行以下步驟進(jìn)行問題分析。

第一，建立行星輪系運(yùn)動的三維模型，模型如圖6、7所示，利用3D打印技術(shù)將教具打印出實(shí)物。第二，把3D打印好的教具零件按照要求組裝好。第三，將O點(diǎn)、A點(diǎn)軸承固定在底板，且在底板上鋪好一張白紙。第四，撥動OA桿使其轉(zhuǎn)動，而小齒輪沿大齒輪滾動而不滑動。

圖5 行星齒輪系

圖6 3D打印平面狀的行星齒輪系

通過教具模擬運(yùn)動軌跡，在運(yùn)動的過程中會在P,Q兩點(diǎn)正下方的碳棒在白紙上留下一條清晰的運(yùn)動軌跡。從而有力地幫助同學(xué)們進(jìn)行問題分析。再對B，C兩點(diǎn)的進(jìn)行速度問題分析，便能減低解題的難度下降，通過3D教具模型模擬運(yùn)動狀態(tài)就可以輕松地解決此類問題。

3.3 利用底板和支架構(gòu)造空間立體維度

我們在課堂擺放教具時難免會出現(xiàn)難以固定的點(diǎn)，如圖8，圖9，圖10所示，我們制作的底座可以輕松的解決此類問題，底座有三個面，剛好組成了一個局部的三維空間，我們在底座上面設(shè)置了可以讓教具固定的點(diǎn)和卡槽，可以最貼切的模擬運(yùn)動的情況，從而簡化問題。方便學(xué)生們分析空間運(yùn)動。

圖9 3D打印的空間立體維度圖

圖10 固定點(diǎn)，卡槽圖

4 3D打印教具的優(yōu)點(diǎn)

4.1 體積小，便于攜帶

3D打印教具所選用的材料大多為塑料等黏合材料，質(zhì)量輕盈，體積小，方便攜帶，并且造價較低，比較適用于課堂教學(xué)。教師講課時可以隨手操作來驗(yàn)證結(jié)論，并且一套教具可以多人使用，很大程度地降低了成本。

4.2 精度高，耐磨損

教具是通過計算機(jī)三維軟件設(shè)計，它的設(shè)計精度非常高，在打印過程中打印機(jī)的精度在0.05mm～0.4 mm，打印完成之后的變形可以基本忽略。采用的材料為新型樹脂材料，這種材料的一個特點(diǎn)就是強(qiáng)度非常高，在操作過程中不容易因?yàn)槟p而導(dǎo)致教具報廢，從而降低了磨損率，節(jié)約了成本。

4.3 樣式多，便于組裝

現(xiàn)在很多中小學(xué)和高校都配置了3D打印機(jī)，教具可以自己制作，制作的時候尺寸統(tǒng)一，這樣就可以實(shí)現(xiàn)教具的多樣組裝，就像是搭積木一樣，可以實(shí)現(xiàn)一個桿件多種用途，極大地減少了造價成本。學(xué)生可以自己動手組裝，有效地提升課堂的活躍度和增加師生互動頻率，改善了課堂氣氛，極大地提高了學(xué)習(xí)的積極性和教學(xué)效果。

5 結(jié)語

由于其價格便宜、成品的多樣化的特點(diǎn)，為3D打印力學(xué)教具在力學(xué)課堂的應(yīng)用帶來可行的條件。在進(jìn)行3D打印力學(xué)教具的設(shè)計與研發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與工程思維，能夠有效提升課堂的活躍度和增加師生互動頻率，3D打印力學(xué)教具可以消除教學(xué)過程中教師與學(xué)生之間思維傳導(dǎo)的不對稱性，極大的提高了學(xué)習(xí)的積極性和教學(xué)效果。