3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

桂　亮, 金　悅, 趙衛(wèi)軍, 郭　婷, 張　俊

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安　710049)

?

3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

桂亮, 金悅, 趙衛(wèi)軍, 郭婷, 張俊

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安710049)

隨著高校創(chuàng)客教育的推行和3D打印技術(shù)的發(fā)展,各高校紛紛探索3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用?；谝詣?chuàng)客為培養(yǎng)目標(biāo)的教育理念,介紹了3D打印技術(shù)在各層次實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用情況。實(shí)踐表明,將3D打印技術(shù)融入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)“中國創(chuàng)客”奠定了基礎(chǔ)。

3D打印技術(shù)； 實(shí)踐教學(xué)； 創(chuàng)客

在機(jī)械工程專業(yè)領(lǐng)域,學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過多年的發(fā)展,從一般的課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)展到了課外的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生出于興趣與愛好,根據(jù)自己在課堂中學(xué)到的基本知識(shí)與原理,努力把各種創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品與結(jié)構(gòu),這也是目前社會(huì)的一個(gè)主流概念——“創(chuàng)客”(maker)的內(nèi)涵,它是以用戶創(chuàng)新為核心理念,是創(chuàng)新2.0模式在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的典型表現(xiàn)。隨著高校創(chuàng)客教育的推行,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才成為高校的培養(yǎng)目標(biāo)[1]。

1　3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)為創(chuàng)客的培養(yǎng)提供了利器,其中日益發(fā)展并成熟的3D打印技術(shù)已成為創(chuàng)客創(chuàng)業(yè)不可缺少的手段[2]。目前,一些國家和組織已開始探索3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。如英國教育部開展了一項(xiàng)為期一年的試驗(yàn)項(xiàng)目,以21個(gè)學(xué)校為試點(diǎn),將3D打印技術(shù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)、物理、工程和設(shè)計(jì)等課程中,從而探索3D打印的教學(xué)應(yīng)用,推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新[3]。2012年初,美國政府規(guī)劃未來4年內(nèi)在1 000所學(xué)校引入“創(chuàng)客空間”,配備3D打印機(jī)和激光切割機(jī)等數(shù)字制造工具,通過實(shí)踐培養(yǎng)新一代的設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)創(chuàng)新者[2]。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長羅軍在第二屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)上表示:“近期,教育部正在制訂方案,讓3D打印機(jī)走進(jìn)學(xué)校,促進(jìn)3D打印教育普及。同時(shí),科技部、工信部也正在探討3D打印產(chǎn)業(yè)化問題。”在國內(nèi)高校,河北工業(yè)大學(xué)構(gòu)建了適用于3D打印實(shí)驗(yàn)室的開放教學(xué)體系,以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力[4]；遼寧工業(yè)大學(xué)也將3D打印技術(shù)引入到大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]；此外,還有很多高校利用3D打印技術(shù)來完善現(xiàn)行的教學(xué)用具和教學(xué)內(nèi)容[6-8]。正是由于3D打印技術(shù)的特點(diǎn),這些年，我校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)國家級(jí)教學(xué)示范中心也將3D打印技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,為學(xué)生構(gòu)建了“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”與“快速制造”之間的橋梁,為創(chuàng)客型大學(xué)生的培養(yǎng)提供了支持。

2　3D打印技術(shù)及特點(diǎn)

目前的所謂3D打印技術(shù)是一種廣義上的概念,又稱增材制造(additive manufacturing,AM),是一種通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)逐層累加材料的方法制造實(shí)體零件的技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù),是一種“自下而上”的材料累加制造方法[9]。

3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)專門設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”,解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成型,并大大減少了加工工序,縮短了加工周期。這一技術(shù)特點(diǎn)決定了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中具有顯著的作用,使設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)技術(shù)可制造性的約束,給創(chuàng)新設(shè)計(jì)釋放了巨大的空間。

3　3D打印技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

根據(jù)我院2010版新版本科培養(yǎng)方案的理念“注重知識(shí)的融會(huì)貫通,強(qiáng)調(diào)通識(shí)與專門知識(shí)的融合,強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力”,機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)國家級(jí)示范中心對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了徹底改革,構(gòu)建了符合卓越工程師培養(yǎng)的3層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系:課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、CDIO實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新實(shí)踐[10]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié),一方面可以讓學(xué)生接觸到前沿技術(shù),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面,為實(shí)踐環(huán)節(jié)中的實(shí)物制作提供了更多的選擇。因此,我中心近年來建設(shè)了3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)客平臺(tái),面向全校學(xué)生開放,為創(chuàng)客的培養(yǎng)提供了支撐。

3.1機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一直是我校非常重視的課程,其中的實(shí)踐環(huán)節(jié)尤其受到重視。以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為平臺(tái)融合3D打印技術(shù),有效地實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)知識(shí)—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—快速制造—評(píng)估改進(jìn)”全鏈條體驗(yàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)改革。以“機(jī)械工程背景驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)創(chuàng)意模式多樣、制作成本相對(duì)低廉”為原則,針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程所包含的內(nèi)容,以課程為主線,選擇3～5種典型機(jī)械產(chǎn)品,引入3D打印完成完整的設(shè)計(jì)與制作,為學(xué)生構(gòu)建了“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”與“快速制造”之間的橋梁。圖1為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中制作的部分零件。

圖1　實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生設(shè)計(jì)制作的零件

3.2基于3D打印開設(shè)開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

針對(duì)3D打印技術(shù)面向全校本科生開設(shè)了開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“創(chuàng)意結(jié)構(gòu)CAD—CAE—3D打印的快速實(shí)現(xiàn)”,旨在對(duì)學(xué)生進(jìn)行技能培訓(xùn),為后期更高層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段:第一階段指導(dǎo)和培訓(xùn)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握一種常用的三維建模軟件,如Pro/E、Inventor、SolidWorks等,并完成創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作；第二階段學(xué)習(xí)和初步使用CAE軟件,如ANSYS,進(jìn)行創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析,并完成創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的簡單結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作；第三階段學(xué)習(xí)和使用3D打印機(jī),了解3D打印的原理和工作過程,并采用3D打印技術(shù)制作出創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的實(shí)物。通過3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握創(chuàng)意結(jié)構(gòu)或新產(chǎn)品快速開發(fā)的新方法,體會(huì)到CAE和3D打印技術(shù)對(duì)于新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要性。圖2為學(xué)生設(shè)計(jì)制作的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。

3.3支撐CDIO“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)”類課程

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果,是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)。CDIO代表構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)和運(yùn)行(operate),它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行工程學(xué)習(xí)[11]。

我校機(jī)械工程學(xué)院2010版培養(yǎng)方案規(guī)定,機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必須完成CDIO機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目,整個(gè)項(xiàng)目為期1年,3～4個(gè)學(xué)生一組。學(xué)生基于興趣,通過調(diào)研提出具有工程應(yīng)用背景的選題,結(jié)合應(yīng)用背景提出設(shè)計(jì)目標(biāo),進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和實(shí)物制作。學(xué)校每年設(shè)立的大學(xué)生創(chuàng)新基金(每組學(xué)生獲得5 000元以內(nèi)的資助)為學(xué)生的創(chuàng)意實(shí)施提供了保證。

項(xiàng)目的整個(gè)過程貫穿了CDIO的教學(xué)理念,突出了實(shí)踐能力和工程能力的培養(yǎng)。3D打印為CDIO作品的制作提供了支持,它由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)快速完成任意復(fù)雜形狀的零件,一些傳統(tǒng)機(jī)加工無法完成的零部件通過3D打印可以容易地實(shí)現(xiàn),是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的有效工具。例如2012級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)制作的“創(chuàng)意早餐3D打印機(jī)”和“基于單片機(jī)控制的啟動(dòng)機(jī)械手”中的部分零件是3D打印出來的,如圖3所示。

圖2　學(xué)生設(shè)計(jì)制作的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手

圖3　學(xué)生設(shè)計(jì)制作的部分CDIO項(xiàng)目作品

3.4支撐各類大賽

全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)大賽等各類比賽，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。3D 打印技術(shù)可以快速、精確地將學(xué)生的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿漠a(chǎn)品原型,為學(xué)生的個(gè)性化參賽作品的快速實(shí)現(xiàn)提供了保障。例如:第五屆全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽，我校一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)作品“愛拼機(jī)器人”利用3D打印技術(shù)將作品實(shí)現(xiàn)；第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)邀請(qǐng)賽獲獎(jiǎng)作品(見圖4)中的部分零部件，采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖4　第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)邀請(qǐng)賽獲獎(jiǎng)作品

3.5實(shí)踐效果

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入3D打印技術(shù),提高了學(xué)生參與項(xiàng)目的積極性,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意靈感,增加了實(shí)踐教學(xué)的途徑,為個(gè)性化的實(shí)物制作提供了方便,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程能力起到了很好的作用。自2012年以來,所指導(dǎo)的本科生設(shè)計(jì)制作出實(shí)物作品13項(xiàng)；申請(qǐng)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金9項(xiàng)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金6項(xiàng)、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金4項(xiàng)；申請(qǐng)國家發(fā)明專利3項(xiàng),其中1項(xiàng)已授權(quán)。設(shè)計(jì)制作出的作品在第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲全國一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、省級(jí)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、二等獎(jiǎng)7項(xiàng)；在第二屆工業(yè)4.0-國際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)邀請(qǐng)賽中榮獲特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

4　結(jié)論與展望

十八大報(bào)告明確提出要實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，堅(jiān)持走中國特色自主創(chuàng)新道路，以全球視野謀劃和推動(dòng)創(chuàng)新。4年大學(xué)培養(yǎng)體系中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因?yàn)樗歉咝Ｅ囵B(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、工程意識(shí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要環(huán)節(jié)。以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為平臺(tái),將3D打印技術(shù)融入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力,為“中國創(chuàng)客”奠定了基礎(chǔ)。未來隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及其在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用,將為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮進(jìn)一步的作用。

References)

[1] 黃兆信,趙國靖,洪玉管.高校創(chuàng)客教育發(fā)展模式探析[J].高等工程教育研究,2015(4):40-44.

[2] 孫江山,吳永和,任友群.3D打印教育創(chuàng)新:創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和STEAM[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究,2015(4):96-103.

[3] 姚人杰.讓3D打印走進(jìn)英國學(xué)校[J].世界科學(xué),2015(10):54-55.

[4] 鄭紅偉,張艷蕊,馬玉瓊.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的3D打印實(shí)驗(yàn)室開放模式研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(11):159-162.

[5] 高奇,曾紅,張德強(qiáng).3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(11):28-30.

[6] 成思源,周小東,楊雪榮,等.基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(8):158-161.

[7] 鄧婷婷,李偉.3D打印在先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,2014(11):99-102.

[8] 楊三艷,李艷.淺談3D打印技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)教育研究,2014(10):166-168.

[9] 中國工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析篇[M]// 中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2014.北京:科學(xué)出版社,2014.

[10] 桂亮,金悅,劉吉軒,等.任務(wù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目教學(xué)法在開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2013(4):29-31.

[11] 顧佩華,沈民奮,李升平,等.從CDIO到EIP-CDIO:汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-19.

Application of 3D printing technology to Maker practical teaching

Gui Liang，Jin Yue，Zhao Weijun，Guo Ting，Zhang Jun

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China)

Practical teaching is one of the most important links to realize the cultivation of creative talents. With the promotion of Maker education and the development of 3D printing technology, many colleges and universities start to explore the application of 3D printing in the field of education. Taking National Basic Experimental Teaching Demonstration Center at Xi'an Jiaotong University as an example, and based on the educational philosophy of taking Maker as a cultivation objective, the application of 3D printing technology to practical teaching at different levels is introduced. The practice proves that the students' interest is stimulated and their innovative ability is trained by integrating 3D printing technology into practical teaching, which paves a way for the cultivation of “China Maker”.

3D printing technology; practical teaching; Maker

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.045

2016-04-11修改日期：2016-06-11

西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(1508Z)

桂亮(1980—),女,江西九江,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)教學(xué).E-mail：guiliang@xjtu.edu.cn

TH164

A

1002-4956(2016)10-0181-04