3D打印技術在“機械原理”課程實踐教學中的應用*

劉邦雄，吳靖雯，賴偉洪

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000）

“機械原理”作為機械設計制造及其自動化專業的一門專業核心課程，與其他專業基礎課有著非常大的聯系，需要學生打好良好的基礎，在培養學生的機械設計能力和創新能力所需的知識、能力和素質結構中占有十分重要的地位[1-3]。近年來，3D打印機技術的發展呈現出不斷深化、不斷擴大應用的態勢[4-7]。學生通過計算機輔助軟件設計模型，借助3D打印技術制成實物模型，能激發學生對“機械原理”課程的興趣，提高學生的設計能力，并且能使其更好地掌握課程內容，為本專業的其他課程學習奠定理論基礎[8]。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術的概述

3D打印技術又稱為三維增材打印技術，是快速成型的一種工藝，將液態光敏樹脂材料、熔融的塑料絲、石膏粉等材料通過一層一層材料堆積的方式分層制作出三維模型。與傳統的打印機運行過程類似，只是傳統打印機使用的是真正的墨水，打印出的是平面二維圖，3D打印機是用實體材料打印成3D的實體模型。3D打印機區別于傳統材料制造技術在于它具有仿真性強、成型快、價格便宜、應用性高等優點。

1.2 3D打印機的加工過程

3D打印可以分成以下三個主要步驟。

1）3D建模。在建模過程中有兩種方法獲取3D模型，第一種方法是學生按照想要打印模型的尺寸和參數在計算機輔助設計軟件中進行建模，然后在3D打印機中打印出實體模型；第二種方法是學生用3D掃描儀對想要建模的對象進行外形和結構的掃描，得出模型后在3D打印機中打印出實體模型。

2）分層材料堆積。目前3D打印的主要工藝有五種，第一種工藝是熔融沉積建模（FDM），讓塑料絲在噴嘴處加熱至半液態后，再一層一層地擠在平臺上在室溫下固化形成模型。第二種工藝是選擇性激光燒結或熔化（SLS、SLM），將黏合材料的特殊膠水適量噴灑涂抹在材料成型的區域，然后再將所需的塑膠粉末或石膏粉末均勻噴灑在區域內。粉末和膠水之間會產生反應迅速固化黏結。第三種工藝是立體光刻（SLA），將3D建模導入3D打印的分層處理軟件，利用UV激光器或光投射器連續跟蹤物體的每個切片層，將光敏樹脂層固化成硬化塑料，直到形成最終3D模型。第四種工藝是直接能量沉積，將原料熔化再和熔化的材料沉積融合在一起后固化。第五種工藝是分層實體制造（LOM），使用機械切割機或者激光切割材料再黏合在一起。

3）實體模型處理。對打印出來的3D模型進行打磨、修補、拋光等工藝處理。

2 機械原理課程教學現狀

“機械原理”一直是一門較為晦澀難懂的專業課，以機器和機構為研究對象，它涉及機械的運動學和動力學分析，不僅對培養學生的工程素質和綜合能力具有重要的教學作用，而且在整個機械類創新型人才培養中占有重要的地位。在專業教學體系中，“機械原理”課程具有承上啟下的作用，是學生對后續課程學習以及接觸新的機械知識的基本，學生想要對機械設計機械制造有更深層次的了解，必須打好“機械原理”這門課的基礎。教師必須重視這門課的教學過程以及結果，需要引導學生自主學習，培養學生的實踐能力。

中國目前的工業發展呈現“噴井式”的狀態，愈來愈多新型技術和理論知識出現。傳統教學模式與方法僅單純灌輸式教學，傳授給學生生硬枯燥的理論知識，缺少了和實踐的結合，難以確保學生是否能夠掌握教學內容，無法保證學習效果。因此，教師也需要不斷汲取新的知識，對課程教學進行創新，激發學生的學習動機和學習熱情，指導學生新的學習方法，教師將從知識的傳授者轉變為學生學習的引導者和學生發展的促進者。

3 3D打印技術在“機械原理”課程教學中應用的意義

由于“機械原理”這門課程的內容涉及十分復雜的機械機構，剛接觸該學科的學生沒有接觸過實體的機械機構或者機械零件，如果僅僅只是依靠教材中的習題、結構簡圖學習這門課程，有較大的學習難度，會降低學生的學習積極性，甚至對本課程產生抵觸情緒。利用3D打印技術可以使教材中抽象難懂的機械結構實體化，形象生動。因此，將3D打印技術與“機械原理”課程教學相結合是非常有必要的。3D打印技術在課程教學中的應用有以下優點。

1）將課程內容實體化，降低了學生學習難度。學生可以應用計算機輔助設計軟件，通過自己動手設計圖紙，建立三維模型，將復雜的機械原理、機械機構通過實踐了解得更加透徹。用3D打印機將三維機械模型“從無到有”的制造出來，獲得了成就感，同時增加了學生的學習興趣；提高了學生的實踐動手能力和對機械原理理論知識的理解，大大減少了學習難度。

2）提高了學生的綜合能力。在學生運用3D打印技術制造機械三維模型時，需要掌握機構的結構和機構的運動以及掌握計算機輔助設計軟件的運用，通過結合位移分析、力學分析在軟件中建立模型，最后進行3D打印并記錄實驗數據。整個過程讓學生直觀了解零件的形狀、內部結構、設計計算；機構的運動過程、理論原理，同時還能基本運用計算機輔助設計軟件，將所學的知識融會貫通。這對學生的工程能力和綜合能力的提高有著明顯的效果。

3）增加了師生之間的溝通。傳統課程教學中教師通常將教材中的內容傳授給學生，學生人數多，知識水平參差不齊，掌握的程度也不同，教師難以進行針對性的教學。將3D打印實踐與教學結合在一起，教師可以將掌握程度不同的學生分組，實行知識掌握良好的同學幫助知識掌握不夠扎實的同學的小組實驗。每次實驗過程進行小組記錄，教師將對每組的實踐過程實施相應問題的答疑解惑，通過學生之間的溝通和反饋，教師不僅可以清晰了解到每個同學的情況還能增加師生之間的溝通，構建良好的師生關系和高效率的課堂教學。

4 3D打印技術在課程教學中的具體應用

“機械原理”課程中，四桿機構占有較為重要的一部分，是學習機構需要掌握的關鍵內容。學生在學習過程中只能從課本和教具來理解四桿機構運作方式，無法很好地掌握四桿機構的設計。教師可以通過讓學生對四桿機構進行運動分析、結構設計、3D建模，再通過3D打印機打印出直觀的教具，方便學生對四桿機構掌握透徹。

1）設計平面四桿機構。通過題目給出具體的機構參數，讓學生對參數進行計算，分析四桿機構的運動，大概得出平面四桿機構圖。

2）繪制四桿機構的三維模型。學生根據對平面四桿機構的運動分析，得到四桿機構各桿的長度，在UGNX3D建模軟件中構建出各桿的3D模型，通過各桿之間的運動關系，按照所需要的自由度進行裝配。最后經過UG運動仿真分析，驗證四桿機構的運動結果是否符合預期設計要求。

3）將四桿機構進行3D打印。得出相應的四桿機構模型后，對生成的文件格式進行轉換導入3D打印軟件，對四桿機構各零部件分開打印出3D模型，最后進行零件的裝配和后期處理。3D打印技術不僅可以應用在四桿機構的設計，還可以應用在凸輪機構、齒輪、軸承等機構的設計。這種實踐與理論相結合的教學模式，可以讓學生更加直觀地理解抽象的內容，理解“機械原理”這門課的主旨。

5 結論

通過3D打印技術在“機械原理”課程教學中的應用，將艱深晦澀的內容與妙趣橫生的實踐結合在一起，使學生對教學內容更加感興趣，提高了學生的學習效率，培養了學生的綜合能力，提升了課堂的教學質量，對教學創新改革有著“里程碑”式的影響。各大高校應該加大3D打印技術在課程教學的應用，完善教育體系，鼓勵教師深入研究3D打印技術，更好地將3D打印技術運用在教學中，保障教學的質量。