3D打印技術(shù)在工程訓(xùn)練教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

鐘思，黎清寧，呂汝金，李玉寒

（桂林電子科技大學(xué) 教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林）

工程訓(xùn)練是國(guó)內(nèi)工科大學(xué)開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程，這門課的實(shí)踐性很強(qiáng)，能夠幫助學(xué)生們將理論和實(shí)際結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、提高學(xué)生工程素養(yǎng)以及創(chuàng)造能力。高校普遍設(shè)有工程制造中心用于全校學(xué)生的工程實(shí)踐教學(xué)。目前，我國(guó)正在實(shí)現(xiàn)由“工業(yè)大國(guó)”跨越到“工業(yè)強(qiáng)國(guó)”的目標(biāo)，因此培養(yǎng)具有工程知識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、以及工程研究改進(jìn)能力的年輕人才是重中之重。但是，目前國(guó)內(nèi)高校的工程訓(xùn)練課程內(nèi)容主要是鉗、鑄、銑、焊接等傳統(tǒng)制造工藝，在時(shí)代的發(fā)展中已經(jīng)漸漸被新的技術(shù)取代，無(wú)法讓學(xué)生學(xué)以致用。為了適應(yīng)高速發(fā)展所帶來(lái)的社會(huì)需求，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，工程訓(xùn)練課程應(yīng)該跟上時(shí)代發(fā)展，開設(shè)具備現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，比如將3D打印技術(shù)運(yùn)用到實(shí)訓(xùn)課程中[1]。

一 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)又被稱為快速成型技術(shù)，在二十世紀(jì)末誕生，一經(jīng)誕生便轟動(dòng)世界。3D打印技術(shù)指依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型，創(chuàng)建出物體的CAD模型或斷層掃描等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀三維立體物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的鍛鑄銑鉆等減式成形制造技術(shù)，3D打印是一種原料累加制造方法。它作為一種新的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，它與傳統(tǒng)制造技術(shù)最大的不同在于以下兩點(diǎn)：①不需要使用刀具等傳統(tǒng)制造工具，直接通過(guò)軟件就能夠快速地制造三維模型。②傳統(tǒng)工程制造工藝是去除材料法，也就是將材料多余的部分用鉗、鑄、銑等方法去掉，只留下有用的部分，從而制作出想要的模型，而3D打印采用的卻是添加材料法，也就是將打印原料不斷地進(jìn)行堆疊來(lái)制造模型[2]。這項(xiàng)技術(shù)讓設(shè)計(jì)和制造更簡(jiǎn)單靈活，而且大大的提高了制造速度和成品的精確度，同時(shí)還降低了成本以及材料的耗損和浪費(fèi)。

二 工程訓(xùn)練中3D打印技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的模塊設(shè)置

（一） 教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)3D打印的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印的成形原理、過(guò)程、特點(diǎn)、分類以及應(yīng)用等基本知識(shí)，掌握三維建模基本操作方法，并且能夠熟練使用熔融擠壓成型設(shè)備。課程結(jié)束后，要求學(xué)生基本掌握3D技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和操作流程，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程素養(yǎng)，建立現(xiàn)在化先進(jìn)制造技術(shù)的初步認(rèn)知[3]。

（二） 教學(xué)大綱

綜合工程訓(xùn)練政策要求和學(xué)校實(shí)際情況，一共設(shè)置了八個(gè)課時(shí)來(lái)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，如表1。

表1 3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱

（三） 教學(xué)硬件配備

工程訓(xùn)練中心3D打印實(shí)訓(xùn)室配備了20臺(tái)3D打印機(jī)，電腦15臺(tái)。另外，還添加了多媒體投影設(shè)備來(lái)保證教學(xué)質(zhì)量。

（四） 師資建設(shè)

工程訓(xùn)練課程配備了多名專業(yè)老師，保證3D打印技術(shù)的教學(xué)順序進(jìn)行。由具備3D打印技術(shù)高深專業(yè)知識(shí)且教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的老師領(lǐng)導(dǎo)，其他學(xué)習(xí)能力和教學(xué)能力出眾的老師協(xié)作完成這方面的工程訓(xùn)練教學(xué)。

三 3D打印技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用與實(shí)踐

（一） 基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)

1.3D打印概述。課程第一步是要讓學(xué)生們了解3D打印技術(shù)的基本知識(shí)和基本現(xiàn)狀，以及學(xué)習(xí)這門課的必要性和意義。包括在學(xué)生了解3D打印技術(shù)的歷史發(fā)展、應(yīng)用范圍、就業(yè)前景等，以及學(xué)習(xí)這門課需要具備的知識(shí)和技能和最終的目標(biāo)。

2.3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。3D打印機(jī)由電子、機(jī)械和軟件三部分組成。電子模塊是其他兩部分的連接機(jī)制，主要用來(lái)對(duì)軟件生成的指令進(jìn)行存儲(chǔ)，并且控制機(jī)械模塊完成這個(gè)指令。機(jī)械模塊用來(lái)完成軟件發(fā)出的打印命令，打印機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)都是機(jī)械模塊。軟件模塊是3D打印機(jī)的核心，它用來(lái)對(duì)要打印的3D模型進(jìn)行分層處理，分層越多、每層越薄則打印的質(zhì)量和精確度越高[4]。分層結(jié)束之后會(huì)生成多個(gè)打印的定位交由機(jī)械模塊完成。

3.3D打印機(jī)的工作原理。3D打印機(jī)的打印方式有很多種，比如熔融堆積技術(shù)、光固化技術(shù)、粉末燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光熔融等。本次課程采用的是熔融堆積技術(shù)（FDM），它首先在需要指定的區(qū)域噴灑一層液滴微小也極易定型的特殊膠水。然后將3D打印材料融化成粉末或者液體后通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的位置從打印噴頭擠出，當(dāng)粉末碰到膠水的時(shí)候就會(huì)被迅速粘合成型，然后按照這個(gè)步驟一層層堆疊起來(lái)形成固定樣式的三維模型。打印完畢后，只需要將沒有碰到膠水因此依然保持分散的粉末清除就可以得到模型，被清除的粉末還能再次投入使用。

（二） 實(shí)踐技能操作教學(xué)

1.3D打印機(jī)的三維建模。教學(xué)中使用基于Windows用戶界面的Solidworks軟件來(lái)構(gòu)建三維模型。這個(gè)軟件能夠幫助沒有任何基礎(chǔ)的低年級(jí)學(xué)生快速入門，提高學(xué)習(xí)效率。首先教師利用多媒體設(shè)備對(duì)該軟件進(jìn)行基礎(chǔ)教學(xué)，使學(xué)生掌握軟件的用法。第二步是以簡(jiǎn)單模型的設(shè)計(jì)為例，開始教學(xué)生繪制三維草圖并且親自示范。繪圖是工程制造技術(shù)中非常重要的基礎(chǔ)技能。第三步是老師通過(guò)實(shí)例來(lái)講解實(shí)體的建模方式和基本特征，這一步是學(xué)習(xí)過(guò)程中至關(guān)重要的一步，學(xué)生需要在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)掌握理論知識(shí)和一部分實(shí)踐知識(shí)。最后是實(shí)踐操作，有老師指定具體模型，學(xué)生自己練習(xí)建模，以便使學(xué)生更好地掌握實(shí)體建模的技巧[5]。

2.3D打印機(jī)的操作。在正式開始嘗試打印之前，首先需要學(xué)會(huì)打印機(jī)的基本操作。以免操作錯(cuò)誤導(dǎo)致人身財(cái)產(chǎn)受到威脅。

將模型建好后轉(zhuǎn)換成打印機(jī)能夠識(shí)別的格式，連接軟件與打印機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和打印控制。

通過(guò)軟件添加建好的三維模型到打印機(jī)上，如果打印盤上出現(xiàn)了添加的模型則說(shuō)明這一步操作成功。

對(duì)打印機(jī)進(jìn)行初始化，這是為了讓打印頭處于坐標(biāo)軸的起點(diǎn)，以便之后更快地給模型定位。初始化之后，打印機(jī)的其他功能就可以正常使用了。

打印前的準(zhǔn)備過(guò)程中，可以通過(guò)軟件對(duì)建立的三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、自動(dòng)擺放等操作，以便控制模型的大小方向等。還可以對(duì)模型的其他參數(shù)比如分層厚度、原料種類等進(jìn)行設(shè)置。

上述步驟操作完成之后即開始打印，打印機(jī)自動(dòng)堆疊原料完成打印。打印完成之后將模型取出，即打印成功。

（三） 創(chuàng)新能力實(shí)踐

1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)了之前的基礎(chǔ)知識(shí)并上手實(shí)踐了3D打印之后，學(xué)生還需要進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。這一階段要求每個(gè)學(xué)生自行進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并獨(dú)立完成構(gòu)思、繪圖、建模、準(zhǔn)備、打印等一系列操作，最終完成打印。且打印時(shí)間不超過(guò)三小時(shí)。在這個(gè)過(guò)程中老師會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視檢查，并且在學(xué)生有問(wèn)題時(shí)進(jìn)行一定程度的指導(dǎo)。

2.作品的展示及考核。所有學(xué)生都完成打印之后，在教室進(jìn)行統(tǒng)一的展示，并且由老師對(duì)作品進(jìn)行評(píng)估考核。同時(shí)，老師需要對(duì)每個(gè)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出優(yōu)缺點(diǎn)并給出修改建議等，幫助學(xué)生揚(yáng)長(zhǎng)避短、查漏補(bǔ)缺，更好掌握3D打印技術(shù)，加深對(duì)工程制造的認(rèn)識(shí)。

四 工程訓(xùn)練中3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法

根據(jù)工程訓(xùn)練教學(xué)大綱的指導(dǎo)，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，老師需要制定一套有別于純理論知識(shí)教學(xué)的教學(xué)方法，幫助學(xué)生在認(rèn)知階段和實(shí)踐創(chuàng)新階段過(guò)程中更好地掌握3D打印的基本技術(shù)，提高學(xué)生的工程制造水平。

（一） 認(rèn)知階段

工程訓(xùn)練主要針對(duì)大一、大二等沒有什么工程實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)的學(xué)生，他們對(duì)3D打印技術(shù)也知之甚少，因此任課老師需要先利用多媒體等設(shè)備讓學(xué)生了解3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用，特別是3D打印作為一種新興的現(xiàn)代先進(jìn)工程制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造方式的區(qū)別。兩外，在實(shí)踐之前還必須讓學(xué)生掌握3D打印的幾種主要打印方式以及他們的特點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)這種技術(shù)形成初步的認(rèn)知。

認(rèn)知階段還有一個(gè)重要使命就是做好實(shí)踐前的準(zhǔn)備，包括知識(shí)儲(chǔ)備和操作流程學(xué)習(xí)。教師需要為學(xué)生講解三維建模軟件的使用，繪圖及建模方式、打印機(jī)的操作流程及注意事項(xiàng)等，并進(jìn)行一些親身示范，幫助學(xué)生加深記憶[6]。直到學(xué)生們基本都能建立起簡(jiǎn)單的三維立體模型，才能進(jìn)入到創(chuàng)新實(shí)踐階段。

（二） 創(chuàng)新實(shí)踐階段

實(shí)踐階段運(yùn)用“設(shè)計(jì)制造型課程教學(xué)”模式，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)、打印三維模型。將學(xué)生分成小組，進(jìn)行探討、分析、合作來(lái)完成設(shè)計(jì)打印過(guò)程。打印結(jié)束后可以將不同小組的作品進(jìn)行對(duì)比分析，由學(xué)生們自由討論、評(píng)價(jià)、提出修改意見等。這種教學(xué)方式有別于傳統(tǒng)教學(xué)，老師只是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提供一些適當(dāng)?shù)膸椭?，其余則全由學(xué)生自由發(fā)揮。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中不僅體驗(yàn)和學(xué)習(xí)了3D打印技術(shù)，更鍛煉了團(tuán)隊(duì)溝通合作能力、創(chuàng)新能力、獨(dú)立思考能力、動(dòng)手實(shí)踐能力等[7]。且這樣的教學(xué)方法可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而更加高效的進(jìn)行工程訓(xùn)練。

五 工程訓(xùn)練中應(yīng)用3D打印技術(shù)的意義

3D打印技術(shù)作為目前一種引起廣泛關(guān)注的熱門打印技術(shù)，是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。而作為為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)人才的高校，跟上時(shí)代科技發(fā)展的腳步、引入最新型的科技和文化是高校不可推卸的責(zé)任。在工程訓(xùn)練中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以讓學(xué)子們系統(tǒng)、深入地了解這門被應(yīng)用于各種領(lǐng)域的技術(shù)，了解工程制造技術(shù)對(duì)于國(guó)家和社會(huì)建設(shè)的重要性。并且讓學(xué)生們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中體會(huì)到科技的永恒和偉大。

同時(shí)，將3D打印應(yīng)用到工程訓(xùn)練中，可以讓很多對(duì)這門技術(shù)感興趣卻沒有機(jī)會(huì)接觸的學(xué)生們親身實(shí)踐和創(chuàng)新，為廣大有創(chuàng)新想法和科技頭腦的年輕人們提供技術(shù)幫助和設(shè)備支持。還可以提供更好地平臺(tái)比如全國(guó)大學(xué)生工程制造競(jìng)賽、科技創(chuàng)新活動(dòng)等供學(xué)生鍛煉自身的能力。而這些，正是高校傳承百年的使命[8]。

六 結(jié)語(yǔ)

工程訓(xùn)練課程是理工科高校學(xué)生重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)國(guó)外各個(gè)高校都正在推廣3D打印技術(shù)，也越來(lái)越受到教師和學(xué)生的重視。而在工程訓(xùn)練教學(xué)中引入3D打印技術(shù)教學(xué)模塊可以讓學(xué)生了解前沿先進(jìn)制造技術(shù)；同時(shí)還能將3D打印實(shí)踐競(jìng)賽、創(chuàng)新活動(dòng)等相結(jié)合以豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感。