工程訓(xùn)練3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

楊 洋　李金良　耿冬妮　周 亮

1.吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心　吉林長春　130025 2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院　吉林長春　130025

工程訓(xùn)練3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

楊 洋1李金良2耿冬妮1周 亮1

1.吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心吉林長春130025 2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吉林長春130025

在工業(yè)4.0時(shí)代及“互聯(lián)網(wǎng)+”的新形勢(shì)下，3D打印已成為時(shí)代發(fā)展的焦點(diǎn)。高等院校工程訓(xùn)練的實(shí)踐課程體系在不斷地改革和創(chuàng)新，已從傳統(tǒng)的制造技術(shù)逐步拓展為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，注重多學(xué)科知識(shí)交叉運(yùn)用，注重創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展，吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)了3D打印訓(xùn)練模塊，為培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提供了強(qiáng)有力的保證。

工程訓(xùn)練；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；3D打印；創(chuàng)新

3D打印是一種新興的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，可以在不準(zhǔn)備工裝夾具、刀具和模具的情況下，通過CAD三維模型直接快速地制造模型、模具或樣件，它與傳統(tǒng)制造技術(shù)的“去除材料法”不同，3D打印是將材料逐層堆積制造模型［1］。3D打印使設(shè)計(jì)和制造更靈活，實(shí)現(xiàn)了既快、又好、又省的敏捷制造［2］。

高校工程訓(xùn)練的實(shí)踐課程體系在不斷地改革和創(chuàng)新［3］，已從車削加工、銑削加工、鉗工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)逐步拓展為數(shù)控車削加工、數(shù)控銑削加工、激光加工、機(jī)器人等現(xiàn)代 先進(jìn)制造技術(shù)，加強(qiáng)了新技術(shù)、新材料、新工藝的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，注重多學(xué)科知識(shí)交叉綜合運(yùn)用，注重工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)［3，4］。為適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展，吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)了3D打印訓(xùn)練模塊［4］。

1　教學(xué)目標(biāo)

了解3D打印的發(fā)展、應(yīng)用及工藝過程，了解選擇性沉積成型、液態(tài)光敏樹脂選擇固化成型、選擇性激光燒結(jié)成型等方法的成型原理、工藝特點(diǎn)；進(jìn)行選擇性沉積成型零件原型的操作訓(xùn)練；觀摩其他3D打印工藝方法的操作過程。通過3D打印的基礎(chǔ)訓(xùn)練，使學(xué)生了解現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的一般過程和基礎(chǔ)知識(shí)，初步建立起現(xiàn)代制造工程的概念，為后續(xù)相關(guān)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

2　教學(xué)建設(shè)

2.1教學(xué)文件建設(shè)

2.1.1教學(xué)大綱

實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱是指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的綱領(lǐng)性文件［5］。3D打印實(shí)訓(xùn)模塊針對(duì)機(jī)械、汽車、材料、農(nóng)機(jī)、管理等機(jī)械類及近機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生設(shè)置8個(gè)教學(xué)學(xué)時(shí)。3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱見表1。

表1

2.1.2教材

為配合工程訓(xùn)練中心加強(qiáng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容［6］，并結(jié)合高等工科院校機(jī)械工程訓(xùn)練體系教學(xué)改革的實(shí)際需要編寫了工程訓(xùn)練系列教材之《現(xiàn)代工程訓(xùn)練》［7］，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。編寫該教材的思路是教學(xué)內(nèi)容力求精選，注重實(shí)際訓(xùn)練，講求實(shí)用、圖文并茂，便于自學(xué)。編寫過程中力求文字簡潔，同時(shí)注重知識(shí)的系統(tǒng)性和科學(xué)性，對(duì)3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)有重要的作用。

2.1.3實(shí)訓(xùn)教案

按照教學(xué)大綱對(duì)3D打印相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的要求，編寫了《3D打印實(shí)訓(xùn)教案》。該教案的應(yīng)用，規(guī)范了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的講解，避免了因?qū)嵱?xùn)教學(xué)指導(dǎo)人員的個(gè)人因素造成實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中知識(shí)點(diǎn)的遺漏，因而保證了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的規(guī)范性，達(dá)到3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱的要求。

2.1.4實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

為了幫助學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)全面、完整的掌握3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全操作規(guī)程和基本操作步驟，提高學(xué)生在3D打印實(shí)訓(xùn)過程中操作的準(zhǔn)確性和安全性，保障3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的順利開展，編寫了《3D打印實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書》。

2.1.5實(shí)訓(xùn)報(bào)告書

為檢驗(yàn)學(xué)生在3D打印實(shí)訓(xùn)中所學(xué)的理論基礎(chǔ)知識(shí)和操作技能能否達(dá)到實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱要求，針對(duì)3D打印的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，采用選擇、填空和簡答等靈活多變的題型，編寫了《3D打印實(shí)訓(xùn)報(bào)告書》。

2.1.6實(shí)訓(xùn)理論考試題庫

為了測(cè)試學(xué)生對(duì)工程訓(xùn)練相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握程度，針對(duì)3D打印的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容編寫了實(shí)訓(xùn)理論考試題，采用多種類型的題目，緊扣3D打印實(shí)訓(xùn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，考核學(xué)生關(guān)于3D打印應(yīng)知應(yīng)會(huì)的基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2教學(xué)硬件建設(shè)

（1）按照3D打印教學(xué)大綱要求，3D打印訓(xùn)練模塊硬件包括：up2 3D打印機(jī)28臺(tái)，S250 3D打印機(jī)2臺(tái)，object30液態(tài)光敏樹脂3D打印機(jī)1臺(tái)，三維掃描儀1臺(tái)，計(jì)算機(jī)32臺(tái)，后處理加熱平臺(tái)1個(gè)。

（2）教學(xué)軟件建設(shè)。由于3D打印是逐層打印，分層層厚決定打印的時(shí)間及產(chǎn)品質(zhì)量，分層層厚越小打印時(shí)間越長，打印質(zhì)量越好，反之打印時(shí)間短，打印質(zhì)量較差。使用3D打印機(jī)打印，大部分產(chǎn)品不能在工作時(shí)間內(nèi)打印完成，在無人狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)存在危險(xiǎn)性。針對(duì)這一問題，工程訓(xùn)練中心開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)3D打印平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)3D打印平臺(tái)的開發(fā)可以使用App遠(yuǎn)程操控和分享3D打印文件并完成打印。網(wǎng)絡(luò)3D打印平臺(tái)的開發(fā)可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控3D打印機(jī)的運(yùn)行情況，遠(yuǎn)程設(shè)置打印機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，接收打印進(jìn)度提醒、可能發(fā)生的錯(cuò)誤、打印完成等。

3D打印機(jī)一旦開始工作，App用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控3D打印加工過程。如果打印模型不理想，可以隨時(shí)遠(yuǎn)程關(guān)閉3D打印機(jī)，節(jié)省材料，等回到打印機(jī)邊再解決問題。網(wǎng)絡(luò)3D打印平臺(tái)的開發(fā)解決了打印時(shí)間長、危險(xiǎn)性大的問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了3D打印設(shè)備的資源共享。

2.3師資建設(shè)

為順利有序地開展3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)，工程訓(xùn)練中心配備比較穩(wěn)定的、多層次的實(shí)訓(xùn)教學(xué)指導(dǎo)教師，以具有教學(xué)資歷深、經(jīng)驗(yàn)豐富、專家型、高水平特點(diǎn)的正高級(jí)職稱的實(shí)訓(xùn)教師作為3D打印的專業(yè)帶頭人，以接受新技術(shù)、新工藝能力較強(qiáng)的碩士研究生學(xué)歷人員作為實(shí)訓(xùn)教學(xué)指導(dǎo)教師。對(duì)每一位上崗的實(shí)訓(xùn)教學(xué)人員進(jìn)行試講考核，競(jìng)爭(zhēng)上崗，以知識(shí)多、能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師保障3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有序進(jìn)行［8］。

3　教學(xué)過程實(shí)施

在3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱的指導(dǎo)下，教學(xué)過程遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，逐層深入的進(jìn)行3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師先利用多媒體教學(xué)課件講解3D打印的發(fā)展歷史；選擇性沉積成型、液態(tài)光敏樹脂選擇固化成型、選擇性激光燒結(jié)成型等方法的成型原理、工藝特點(diǎn)［9］；3D打印的基本工藝流程及3D打印在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)合典型的傳統(tǒng)加工制造方法的零件講解3D打印同傳統(tǒng)加工制造方式在加工過程、加工原理等的區(qū)別；實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師針對(duì)具體模型講解建三維模型時(shí)的注意事項(xiàng)，學(xué)生進(jìn)行三維建模訓(xùn)練；實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師講解up23D打印機(jī)的操作流程及相關(guān)的注意事項(xiàng)，學(xué)生進(jìn)行3D打印機(jī)的操作訓(xùn)練；實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師組織學(xué)生分組討論，對(duì)3D打印成型件缺陷的成因分析并提出相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策，對(duì)實(shí)訓(xùn)過程進(jìn)行分析與總結(jié)；學(xué)生實(shí)訓(xùn)后獨(dú)立完成3D打印實(shí)訓(xùn)報(bào)告。

4　考核和成績?cè)u(píng)定

考核與實(shí)訓(xùn)的過程化管理相結(jié)合，學(xué)生工程訓(xùn)練最終成績由兩部分組成，工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)成績占80%，基本知識(shí)考核占20%。工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)成績由所有實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)成績的加權(quán)和確定，各實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的權(quán)重根據(jù)各實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)時(shí)數(shù)比重確定，其中實(shí)訓(xùn)報(bào)告占20%，操作訓(xùn)練占70%，實(shí)習(xí)態(tài)度占10%。

5　結(jié)束語

建設(shè)3D打印實(shí)訓(xùn)模塊，可以讓學(xué)生了解最前沿的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)，縮小與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的差距，提高實(shí)訓(xùn)質(zhì)量［10］。本文詳細(xì)介紹了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊的建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容和實(shí)施過程［11］，為其他院校工程訓(xùn)練3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)的建設(shè)提供了可資借鑒的做法。

［1］ 伍倪燕，廖磷志，傅貴興.3D打印對(duì)模具制造技術(shù)的影響分析［J］.模具制造，2014（10）：86-88.

［2］ 譚語夷.3 D打印的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國機(jī)械，2014（11）：55.

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Exploration and Practice of the 3D Printing Practical Teachingon Engineering Training

Yang Yang1， Li Jinliang2， Geng Dongni1， Zhou Liang1
1. Engineering Training Center， Jilin University， Changchun， 130025， China 2. College of Materials and Engineering， Jilin University， Changchun， 130025， China

In the Industry 4.0 era and the "Internet +" new situation， 3D printing has become the focus of development of the times. The practical curriculum system of engineering training is reformed and innovated continuously in higher education institution. It has gradually expanded from the traditional manufacturing technology for modern advanced manufacturing technology. It not only focuses on cross-use of multi-disciplinary knowledge， and focuses on cultivating innovative thinking and engineering practice ability. In order to adapt to the development of the new situation， Jilin University Engineering Training Center opened a 3D print training module. It provides a powerful guarantee to train applied and innovative engineering students.

engineering training； practical teaching； 3D printing； innovation

2016-03-11

楊洋，碩士，工程師。