3D打印技術(shù)在大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中的應(yīng)用

謝立娟 韓百強 梁鵬霄 張棟梁

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

3D打印技術(shù)在大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中的應(yīng)用

謝立娟 韓百強 梁鵬霄 張棟梁

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

與傳統(tǒng)的工業(yè)相比，3D打印技術(shù)具有快速成型、生產(chǎn)率高、成本低的優(yōu)勢。將3D打印應(yīng)用于全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中，不但能提高制作作品的效率，降低機(jī)械工具帶來的傷害，減少成本，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品變得簡單化，而且能拓展學(xué)生思維，提升學(xué)生對制圖軟件的學(xué)習(xí)效果，提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力?；诖?，闡述全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽與3D打印技術(shù)的概念，探究3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢，分析3D打印技術(shù)給大賽帶來的挑戰(zhàn)及思考。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽；3D打印技術(shù)；優(yōu)勢；挑戰(zhàn)

3D打印是近年來逐漸興起的熱門領(lǐng)域，在國內(nèi)外以星火燎原之勢迅速發(fā)展［1］。目前，國內(nèi)外許多學(xué)校將3D打印與課程相結(jié)合，呈現(xiàn)出一種新的教學(xué)方式，推動教學(xué)創(chuàng)新。學(xué)校建立3D打印實驗室為學(xué)生提供實踐平臺。但3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新比賽中應(yīng)用較少。在第七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽河北賽區(qū)預(yù)賽中，有部分參賽作品使用了3D打印技術(shù)。這些作品是學(xué)生親自繪圖并打印出來的，作品得到了評委老師的表揚。3D打印技術(shù)，也被稱為“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的技術(shù)［2］。3D打印技術(shù)無需任何機(jī)械加工，也不需要使用任何模具，就能直接把學(xué)生繪制的零件圖或裝配圖打印成三維立體模型，能夠保證作品的精度和光滑度，而且周期短。全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽在下來通知到預(yù)賽，僅僅幾個月時間，學(xué)生除了學(xué)習(xí)，要利用業(yè)余時間發(fā)散思維想創(chuàng)意，還要制作模型、PPT、說明書、視頻等，時間緊，任務(wù)重。而使用3D打印大大縮短了學(xué)生制作模型的時間，不用去工廠加工，降低了傷害。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中具有重要意義。

1 全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽與3D打印技術(shù)概述

1.1 全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽

全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽是經(jīng)教育部高等教育司批準(zhǔn)，面向大學(xué)生的群眾性科技活動。正如教育部周濟(jì)部長所指出的，機(jī)械很重要，沒有機(jī)械就無所謂工業(yè)；創(chuàng)新很重要，沒有創(chuàng)新就沒有發(fā)展；設(shè)計很重要，設(shè)計決定著產(chǎn)品的成本、功能和使用壽命［3］。大賽兩年一屆，每屆都有獨特的主題。其目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計和綜合設(shè)計能力與協(xié)作精神；加強學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對實際需求進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新、設(shè)計、制作的實踐工作能力，吸引、鼓勵學(xué)生踴躍參加課外科技活動，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。

1.2 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法

3D打印技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)材料加工，在三維CAD模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)添加材料進(jìn)行制造的技術(shù)方式。3D打印技術(shù)主要采取的制造方法有直接制造和三維物理實體模型制造。事實上，3D打印技術(shù)集成了各種不同的技術(shù)，基于多個不同的物理機(jī)制，將共同的特征通過一個數(shù)字模型來構(gòu)建三維物理實體，這個成型實際是一個層疊堆積的過程。然而，傳統(tǒng)加工方法通常采用切削加工方法來實現(xiàn)，切削加工方法是一種減材工藝方法。

1.3 3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，3D打印技術(shù)出現(xiàn)在高校、高中甚至小學(xué)等教學(xué)中。學(xué)校設(shè)立創(chuàng)客空間等類似的實驗室，對學(xué)生開放，讓學(xué)生自由發(fā)揮創(chuàng)造作品，以此來提高創(chuàng)新思維。但大部分僅僅限于實驗作品制作，在大學(xué)生創(chuàng)新比賽中應(yīng)用甚少。在第七屆全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中出現(xiàn)了3D打印的作品，作品獲得了評委老師的好評。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于全國大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計大賽中的優(yōu)勢

2.1 高制作效率，成本低

制作同一作品，使用傳統(tǒng)的加工方法從作品設(shè)計到加工制作需要較長的時間。對于學(xué)生參加比賽來說，準(zhǔn)備時間比較緊張。然而，3D打印技術(shù)集設(shè)計、打印于一體，只要設(shè)計好圖紙，其他的事情就完全可以交給3D打印機(jī)，實現(xiàn)了半自動化。同時，只需要原材料即可，費用低。

2.2 降低傷害

切削加工會產(chǎn)生許多危害。如設(shè)備工作時高速運動的部件、飛出的切屑、設(shè)備因高速轉(zhuǎn)動或摩擦產(chǎn)生的高溫、工作時的噪聲等，這些對人類具有潛在的危險。學(xué)生自己操作不熟練，更是加大了受傷危險。3D打印技術(shù)則截然不同，學(xué)生只需要1臺電腦和3D打印機(jī)，動動鼠標(biāo)，按按按鈕就可以完成加工。

2.3 使制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品簡單化

傳統(tǒng)加工方法能夠加工出簡單的平面、直線、圓周等，對于加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀簡直是異想天開。但對于3D打印技術(shù)而言，打印結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的作品，僅僅依靠的是幾何數(shù)據(jù)的輸入。在比賽時，學(xué)生不再只是使用傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)零件簡單組裝，而是學(xué)生自己創(chuàng)造的，有著特定的幾何關(guān)系，這些是傳統(tǒng)加工方法不能達(dá)到的，而3D打印技術(shù)就可以將其變成現(xiàn)實。

2.4 使學(xué)生學(xué)習(xí)制圖軟件并提高創(chuàng)新能力

學(xué)生使用制圖軟件，不僅可以學(xué)習(xí)二維、三維等繪圖功能，還可以學(xué)習(xí)裝配、仿真等功能。學(xué)以致用，將技能應(yīng)用到實踐中。學(xué)生在繪制的過程中，可以發(fā)散思維，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，不在局限于現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)零件，可按自己的想法設(shè)計創(chuàng)造出新的實用的機(jī)構(gòu)零件。

3 3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用思考

3D打印技術(shù)是一項新技術(shù)，預(yù)言將引起全球第三次工業(yè)革命，將其應(yīng)用到教育領(lǐng)域是一次重大改革。對于教學(xué)、實踐活動、比賽，既是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)帶來了以下挑戰(zhàn)：①人們使用“耗材”就可以設(shè)計加工作品，可能會忽略傳統(tǒng)加工方法，失去動手實踐的機(jī)會，這就失去了大賽加強學(xué)生動手能力培養(yǎng)和工程實踐訓(xùn)練的目的；②3D打印技術(shù)目前使用的“耗材”種類有限，學(xué)生有新想法卻難以實現(xiàn)；③3D打印技術(shù)是一項新技術(shù)，宣傳力度不夠，不夠普及；④3D打印機(jī)價格昂貴。

面對這些挑戰(zhàn)，作為學(xué)生和學(xué)校應(yīng)該充分做好準(zhǔn)備：①思想方面，3D打印技術(shù)是一項新技術(shù)，學(xué)校專業(yè)老師較少，這就需要調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，從思想上剔除依賴心理；②知識方面，學(xué)習(xí)繪圖軟件，學(xué)習(xí)三維建模、裝配、仿真等功能，讓自己在學(xué)生階段真正掌握一門技術(shù)，為以后工作做準(zhǔn)備；③行動方面，學(xué)校應(yīng)對學(xué)生創(chuàng)新活動給予大力支持和鼓勵，在基礎(chǔ)設(shè)備和資金方面等給予支持，積極引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新比賽，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

［1］周濟(jì).中國機(jī)械工程教育現(xiàn)狀和未來發(fā)展方略［J］.高等工程教育研究，2006（3）：47-52.

［2］童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（12）：16-19.

［3］尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實驗平臺研究與應(yīng)用［J］.中國輕工教育，2016（3）：73-76.

Application of 3D Printing Technology in the Mechanical Innovation Competition of University Students

Xie Lijuan Han Baiqiang Liang Pengxiao Zhang Dongliang
（Agricultural University of Hebei Province，Baoding Hebei 071001）

Compared with the traditional industry,3D printing technology has the advantages of rapid prototyping, high productivity and low costs.The application of 3D printing in the national college student mechanical innovation design competition,can not only improve the efficiency of works,reduce the harm caused by mechanical tools,cut costs,make the structure of complex products more simple,but also can develop the students'thinking,enhance the level of students'learning of graphics software,improve the students'ability of technical innovation.Based on this, the concept of national undergraduates mechanical innovation design competition and 3D printing technology were described,the application status and advantages of 3D printing technology in competition were explored,the challeng?es and thinking of 3D printing technology to the competition were analyzed.

mechanical innovation design competition；3D printing technology；advantages；challenge

TP399；TH122

A

1003-5168(2016)09-0038-02

2016-08-22

謝立娟（1993-），女，本科，研究方向：3D打印技術(shù)。