三維打印在裝備教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱瑞 史俊斌 賈帥

摘 要：三維打印技術(shù)作為一種新興的技術(shù)已逐漸受到廣泛的關(guān)注與重視，在詳細(xì)介紹三維打印技術(shù)工作原理和發(fā)展前景的基礎(chǔ)上，文章介紹了三維打印在裝備教學(xué)過程中的一些教學(xué)體會和應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：三維打??；裝備教學(xué)；研究

三維打印是近20年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，被稱為"第三次工業(yè)革命"的代表性技術(shù)。目前，在教學(xué)領(lǐng)域，特別是裝備教學(xué)領(lǐng)域，三維打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的課題，有許多問題值得研究和探討。

1 三維打印技術(shù)概況

三維打印也叫做3D打印，是一種快速成型技術(shù)。以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行堆積，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，三維打印大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝流程、不需要過多的人員和設(shè)備，直接從計(jì)算機(jī)三維模型數(shù)據(jù)中便可生成零件，簡化了生產(chǎn)程序，提高了工作效率。三維打印包括兩部分：一是模型設(shè)計(jì)，一是打印過程。即先通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型，將三維模型逐層的切片，通過3d打印機(jī)逐層打印出立體模型。

2 三維打印技術(shù)的發(fā)展

（1）制造業(yè)：三維打印讓制造業(yè)變得效率更高、更加簡單。只要將模型的三維數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上，通過三維打印，將所有的部件進(jìn)行制作，然后再把這些部件組裝在一起。

（2）生物醫(yī)學(xué)工程：生物醫(yī)學(xué)是重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，利用三維打印技術(shù)，在計(jì)算機(jī)的操作下，運(yùn)用堆積成形原理，能較容易地制造出細(xì)胞載體框架，實(shí)現(xiàn)人體器官的合成和再造。

（3）文物修復(fù)：文物專家根據(jù)文物碎片制作三維模擬圖，然后將其整合，做出了原物的三維模型。通過對比能夠快速準(zhǔn)確的找到缺失的部分，通過三維打印機(jī)打印出來。

（4）微型機(jī)電加工：傳統(tǒng)的加工技術(shù)適合平面加工，難以加工出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，若將需要成形的材料制成打印頭的懸浮液，利用三維打印技術(shù)能夠打印出復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微器件。隨著三維打印技術(shù)成形精度的不斷提高，其必將在微型機(jī)電加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景

3 三維打印技術(shù)在裝備教學(xué)中的應(yīng)用

（1）裝備教學(xué)中存在的問題

第一，傳統(tǒng)教學(xué)裝備無法滿足教學(xué)需要。利用實(shí)裝進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練，只能直觀地展示裝備的外部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行操作使用訓(xùn)練。對于裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，只能通過理論講授和一些文字圖片進(jìn)行描述，無法深入到裝備內(nèi)部中去，對于一些細(xì)小繁多的裝備部件，學(xué)員掌握難度較大，容易混淆記憶，學(xué)習(xí)只停留在表面。

第二，裝備器材數(shù)量過少。在實(shí)裝教學(xué)過程中，由于教學(xué)的裝備數(shù)量有限，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中，不能做到理論與實(shí)際相結(jié)合，脫離了裝備教學(xué)，實(shí)裝教學(xué)效果不明顯；同時(shí)，在實(shí)裝教學(xué)訓(xùn)練過程中，對于一些結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系，需要對裝備進(jìn)行分解，在使用維護(hù)時(shí)，需要對裝備進(jìn)行分解裝配，不可避免地會出現(xiàn)磨損、損壞現(xiàn)象，加大教學(xué)訓(xùn)練成本。

（2）三維打印技術(shù)的應(yīng)用

三維打印教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新和實(shí)踐能力。學(xué)員可以邊做邊學(xué)，通過對三維模型的建立，可以幫助學(xué)員更好地理解裝備的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系，在制作過程中，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。課堂上多以啟發(fā)誘導(dǎo)、提問討論等方式上課。在教員的引導(dǎo)下，學(xué)員通過小組討論和互助的方式來學(xué)習(xí)，充分調(diào)動積極性。錄制一些軟件建模視頻和打印機(jī)操作視頻，方便學(xué)員對所學(xué)知識進(jìn)行復(fù)習(xí)，加深對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。特別是一些學(xué)員，由于基礎(chǔ)不同，在傳統(tǒng)理論教學(xué)中學(xué)不好，但使用設(shè)計(jì)工具和三維打印產(chǎn)品時(shí)也許能做得很好。所以三維設(shè)計(jì)和三維打印對擁有"視覺"或"觸覺"學(xué)習(xí)方式的學(xué)員有很大的吸引力。

學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中可分為三個(gè)階段：一是學(xué)習(xí)三維建模軟件，其中SolidWorks軟件是一個(gè)很好的選擇。該軟件界面明了，操作簡單，建模速度快，非常適合初學(xué)者使用；二是學(xué)習(xí)將模型轉(zhuǎn)換為3D打印的標(biāo)準(zhǔn)格式；三是學(xué)習(xí)在3D打印中進(jìn)行精度設(shè)計(jì)、打印大小設(shè)定，打印出裝備模型。

（3）三維打印技術(shù)在裝備教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)

將三維打印技術(shù)與裝備教學(xué)相結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)裝備教學(xué)的諸多問題。

第一，由于教學(xué)過程中裝備器材數(shù)量少，應(yīng)用三維打印的形式，突破傳統(tǒng)的裝備教學(xué)理念和訓(xùn)練器材數(shù)量的限制，可以先進(jìn)行虛擬教學(xué)，待熟練掌握后，再去實(shí)裝上進(jìn)行操作，即可以檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，也避免了因?qū)W員不熟悉而帶來的安全隱患。

第二，傳統(tǒng)的裝備部件修理需要通過機(jī)械加工制備零件，耗費(fèi)的時(shí)間和精力多，同時(shí)零件精度達(dá)不到要求。通過三維打印技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬制作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工制作，實(shí)現(xiàn)快速制備零部件，提高工作效率。

第三，通過對零件進(jìn)行三維建模，不僅能夠加深學(xué)員所學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)將將專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課為專業(yè)課服務(wù)，專業(yè)課檢驗(yàn)前期所學(xué)內(nèi)容的良好循環(huán)，而三維建模本身也是一個(gè)加深對裝備部件認(rèn)知的過程，能夠激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，為學(xué)員的交流和創(chuàng)新提供一個(gè)良好的平臺。

4 結(jié)束語

利用三維打印技術(shù)的特點(diǎn)，探索將三維打印技術(shù)在裝備教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用，促進(jìn)實(shí)裝教學(xué)能力的發(fā)展，同時(shí)能增強(qiáng)學(xué)員的自信心，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)造力和創(chuàng)新性，為裝備教學(xué)提供了新思路。

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