3D打印自制教具助力機械制造技術課程教學改革

田國強，尹 欣，李 征，吳 凱，劉元朋

（鄭州航空工業管理學院航空宇航學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

《機械制造技術》課程是機械類專業的一門重要的專業核心課程，課程內容呈現出較強的專業性和實踐性，涉及的部分機械結構復雜抽象，學生理解難度較大。在教學活動中，傳統的授課方式主要以多媒體課件與老師口頭講述結合為主，就會出現抽象化的知識講述不清楚，學生難以理解，不易接受消化。

教具在教學過程中發揮著巨大的作用，利用教具可幫助學生直觀地理解抽象復雜的機械專業知識，有利于提升學生空間想象能力和理解能力，從而來激發學生學習的主動性，提升實際學習效果[1-2]。但是傳統教具存在結構單一、形式老舊的問題，而且生產周期長、采購成本高會造成教輔資源的不足，不利于教學活動的展開。

3D打印（又被稱為增材制造）技術是近年得到快速發展和應用的熱門技術，非常適用于教具等復雜結構的快速設計和制造。用其制造的教具質量輕，可以根據要求設計尺寸，且可以對教具進行設計從而體現抽象概念。本研究探討使用3D打印技術設計制造教具，并將教具引入課堂提高教學質量與學生學習效率，助力機械制造技術課程的教學改革。

1 3D打印技術介紹

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[3]。目前，3D打印技術主要分為以下幾類：

（1）光固化3D打印。該技術是最早出現的3D打印技術，是業界廣泛使用的最成熟的3D打印技術。該技術基于液態光敏樹脂為原料，通過計算機控制紫外激光使液態樹脂固化成型。

（2）熔融沉積快速成型。該技術是通過高溫將絲狀塑料材料融化，然后打印噴頭將熔融材料擠出噴頭冷卻固化，層層累積在三維空間內形成立體實物。

（3）選擇性激光燒結。該技術利用粉末材料在激光照射下高溫燒結，也就是通過計算機控制光源定位裝置實現精確定位，然后逐層燒結堆積成型。該技術的優勢在于，可使用材料廣泛，像尼龍、鐵、鈦、合金、陶瓷、覆膜砂等等；再者，由于SLS技術并不完全熔化粉末，而是僅將其燒結，因此成型效率高且無須支撐。

（4）疊層實體制造。該技術是以CAD模型為參照物，在計算機控制下，利用激光技術，將供料系統提供的紙或箔材切割出輪廓線，采用熱壓技術將多層切割好的紙或箔材壓緊粘合在一起，層層遞進，最終制造出三維產品。

（5）三維印刷（3DP）。該技術通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面粘結出來并一層層堆積成型。該技術能使用的材料比較多，如石膏、塑料、陶瓷和金屬等，而且還可以打印彩色零件。

（6）金屬3D打印。金屬3D打印工藝是一種通過數字化控制，利用激光、電子束等高能束作為能量源將金屬粉末、金屬絲材燒結，逐層累加，快速成型的新興技術。

在以上3D打印技術中，熔融沉積快速成型由于工藝成本低，且成形材料為塑料，制件質量輕，因此在教具制作方面得到最廣泛應用[4-5]。

2 3D打印教具設計制作方法

目前，基于3D打印的教具制作方法主要有以下兩種[6-7]：

（1）正向設計+3D打印。將設計的CAD模型轉換為三角面片STL模型，導入三維打印軟件中，進行分層及數據處理，生成3D打印機能識別的數控指令，逐層累積打印出所設計的實體零件模型。即先設計出零件的三維模型，再將其分為逐層的截面，打印機對三維模型文件的截面信息進行讀取，這些截面會被一層一層打印出來，從而制作出整個零件。

（2）逆向設計+3D打印。利用如激光掃描儀、X射線斷層成像儀等測量設備，對既有目標產品外形進行數字化掃描，獲取完整的三維點云數據，然后借助逆向工程軟件對點云數據進行三維逆向建模，優化三維模型數據，得到精確的零件模型，再利用3D打印機制作出零件。

以上兩種方法中，“逆向設計+3D打印”方法由于基于逆向工程技術直接獲取實物數字模型，不受制于實物模型的結構限制，省去了復雜結構的設計造型難度，因此特別適用于具有較多復雜曲面的教具設計制作。

3 3D打印教具在《機械制造技術》課程教學中應用及優勢

在機械制造技術課程內容中，涉及較多復雜結構，如在金屬切削部分涉及車刀、銑刀、麻花鉆、拉刀、滾齒刀等較多復雜結構刀具，在機床傳動系統部分涉及摩擦片式離合器、齒形離合器、塔形齒輪等復雜零件，在機床夾具部分涉及夾具體、夾緊機構等復雜結構。這些復雜結構較為抽象，理解較為枯燥。在教學過程中，可以5-6位同學一組，利用3D打印技術針對這些復雜結構制作教具，有助于提升課程教學效果，促進學生專業能力培養，具體表現為以下三個方面：

（1）在課堂教學方面，機械制造技術的傳統授課方式主要以PPT講解和板書結合為主，但對于課程中涉及的復雜結構，PPT和板書表現不直觀，學生理解起來比較抽象枯燥，不利于提高學生的學習積極性。如果使用3D打印技術針對這些復雜結構制作出教具實物，對于學生了解這些復雜結構及其涉及的專業知識就更為直觀，從而提高學生的學習興趣。

（2）在實驗教學方面，機械制造技術課程會安排課內實驗，但是僅僅是驗證性的實驗。這些實驗以學生觀看了解現有零件實物、設備結構、運動過程為主，不利于學生綜合實踐能力的提高。在引入3D打印教具制作后，學生在設計教具的過程中要首先結合教材知識和課堂講解進一步復習已學知識，熟悉理解所設計的復雜機械結構，從而加深了學生對這些復雜機械結構的掌握程度。在制作教具的過程中學生動手操作3D打印設備，也熟悉了3D打印設備的相關工藝參數。教具制作完成后，學生觀看教具，更進一步直觀理解了相關的課程教學內容。這樣進行的實驗比驗證性類型的實驗整體綜合性更強，將動手實踐能力與理論相結合，增強了學生學習的積極主動性。

（3）在課程知識融合方面，在傳統授課過程中學生僅僅學習《機械制造技術》本門課程知識。通過引入教具設計制作，學生除學習《機械制造技術》課程知識，還綜合學習和應用了多門其他課程知識，如在教具設計過程中，使用到了《機械設計》《三維造型及應用》課程知識，在教具制作過程中，運用到了《先進制造技術》課程中的逆向工程、3D打印等知識。以教具設計制作為教學手段，使學生系統應用機械類專業多門課程知識，實現了融合多門課程知識綜合解決工程實際問題的能力。

4 教具制作及應用案例

以立銑刀教具為對象，指導學生進行教具的設計及3D打印制作。由于立銑刀有多個刀齒，刀齒上具有復雜的曲面形狀，直接造型較為困難，因此選擇逆向工程方法獲取已有立銑刀實物數字模型，并進行逆向設計，而后進行3D打印教具制作。

本研究選擇某典型立銑刀為掃描實物對象（見圖 1（a）），采用ATOS Compact Scan光學掃描儀對立銑刀進行光學掃描（見圖1（b）），得到了立銑刀的三維數字模型（見圖1（c））。接下來，通過逆向工程軟件Geomagic DesignX進行點云數據處理、片體優化、數據處理，建立立銑刀的基面、切削平面、正交平面、后刀面等主要參考平面，并對數字模型進行尺寸放大，以方便教學展示和學生觀察。設計所得的立銑刀教具數字模型如圖1（d）所示。

圖1 基于逆向工程方法的立銑刀教具設計

由于立銑刀切削部位的結構較為復雜，需要對其進行重點講解，以便學生理解。為此，重點針對設計的立銑刀教具切削部位，基于熔融層積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技術，采用絲狀PLA材料，通過M3145K打印機制作出教具實物。打印設備如圖2（a）所示，打印所得的教具實物如圖2（b）所示。在教具設計制作過程中，學生綜合應用了三維光學掃描、逆向工程造型設計、3D打印等知識，并詳細掌握了機械制造技術課程中立銑刀結構相關知識。教具制作完成后，教師結合教具對該部分知識進行復習，進一步加深學生對課堂知識的理解和掌握。

圖2 立銑刀教具的3D打印

5 結論

針對機械制造技術課程教學內容的特點，提出3D打印技術自制教具引入機械制造技術課程的教學活動中。學生利用前期機械專業基礎知識進行教具的數字化設計，并利用3D打印設備進行教具制造，構建了設計課程知識和制造課程知識一體化的教學模式，提高了學生綜合應用多門課程知識的能力及實踐動手能力。同時，將學生制作的教具引入機械制造技術理論課堂教學過程中，增強了教學的直觀性，極大地推動了學生學習的積極性，從而在課程教學改革中起到積極的促進作用。