3D打印在工程訓(xùn)練中的教學(xué)組織分析

潘丹丹

[摘 要] 3D打印被稱作是“有著工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，能夠訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，以近機(jī)械類領(lǐng)域的學(xué)生能力訓(xùn)練為重點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)設(shè)備、內(nèi)容及組織等進(jìn)行研究，成立一種以學(xué)生為中心，從三維模型設(shè)計(jì)到 3D 打印制造的完整工程綜合訓(xùn)練教學(xué)形式，在實(shí)際中獲得了良好的效果。

[關(guān) 鍵 詞] 3D打?。还こ逃?xùn)練；教學(xué)組織

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）32-0076-02

3D打印是一種速成的技術(shù)，是以數(shù)字化模型為前提，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合原料，運(yùn)用逐層打印的方法構(gòu)成物體。因?yàn)樗谥圃旃に嚪矫娴膭?chuàng)新，成為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。此技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就已產(chǎn)生，但因價(jià)錢昂貴，還不成熟，最初并沒(méi)有得到廣泛發(fā)展。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，此技術(shù)已變得更加成熟、準(zhǔn)確，且成本有所下降?，F(xiàn)在，此技術(shù)已廣泛運(yùn)用到了學(xué)科界，工程師、工業(yè)設(shè)計(jì)師利用此將設(shè)計(jì)的方案轉(zhuǎn)變成原型進(jìn)行測(cè)試，外科大夫利用此制作器官模型來(lái)幫助手術(shù)，考古學(xué)家和博物館的技師利用此完成珍貴文物的復(fù)制，并進(jìn)行進(jìn)一步的研究，這種創(chuàng)新的運(yùn)用在不斷走近大眾。它的廣泛使用大大引起了教育者的重視，教育者開始了解此技術(shù)在教育方面的創(chuàng)新，擁有廣泛應(yīng)用前景。本研究將通過(guò)分析總結(jié)3D打印在工程訓(xùn)練中的組織角色以及應(yīng)用。

一、3D打印技術(shù)的原理及其發(fā)展的現(xiàn)狀

我們絕大多數(shù)人了解的“打印”，就是能夠打印文稿或照片等平面東西的一般打印機(jī)，實(shí)際上二維的噴墨打印方式和多數(shù)種類的3D打印在技術(shù)上是較相似的，3D打印運(yùn)用的是特殊機(jī)械把材料逐層進(jìn)行噴涂或熔結(jié)到三維的空間中，最后產(chǎn)生所要的目標(biāo)作品，利用的機(jī)器就是3D打印機(jī)，其精準(zhǔn)性相當(dāng)高，哪怕是價(jià)格較低的低檔型號(hào)，也能夠打印出模型中設(shè)計(jì)的多數(shù)細(xì)節(jié)，而且它相對(duì)鑄造、沖壓、蝕刻等常規(guī)的手段可更快地創(chuàng)建出原型來(lái)，尤其是以往形式極其不易制作的特殊結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，利用3D打印技術(shù)建立一件物品必須要經(jīng)過(guò)建模、分層、打印和后期處理四個(gè)必要過(guò)程來(lái)完成。其中第一臺(tái)商用的打印機(jī)在1986年就有了，堅(jiān)持了十多年的研究和創(chuàng)新后，其不管是在技術(shù)上、造價(jià)方面，還是運(yùn)用范圍上都有了很大的進(jìn)步。隨著3D打印應(yīng)用范圍的持續(xù)推廣，如在消費(fèi)電子、航空及汽車制造等方面，其能夠使用較低成本和較高的效率來(lái)生產(chǎn)出小批量的定制部件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且精細(xì)的造型。當(dāng)然自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)的科研領(lǐng)域也已經(jīng)著手研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3D打印機(jī)，其中清華大學(xué)、北京航空航天、華中科技、西安交大等多所學(xué)校均在這方面獲得了較好的成績(jī)，研究開發(fā)出很多型號(hào)的3D打印裝備和材料。包括北京航空航天大學(xué)首次開發(fā)形成的飛機(jī)欽合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成型技術(shù)，這成為國(guó)際上該領(lǐng)域范圍內(nèi)的主要突破；華中科技大學(xué)制作出來(lái)的大型3D打印機(jī)，能利用激光把原材料變成復(fù)雜的工業(yè)零件或生活用品。直到2012年年末，工信部宣布要加強(qiáng)頂層的設(shè)計(jì)和進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃以促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的推廣，并規(guī)定其制定的發(fā)展方向和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，完善該技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

二、3D打印實(shí)訓(xùn)室的硬件建設(shè)

現(xiàn)在3D打印種類相對(duì)較多。在工藝有所差異的設(shè)備中，生產(chǎn)量較大的包括熔融沉積快速成形設(shè)備、激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備、立體光固化成形設(shè)備等。本研究對(duì)他們的價(jià)格、所用的材料量及成本、使用率等進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)查，涉及學(xué)生的數(shù)量、專業(yè)特征等內(nèi)容，進(jìn)行綜合考慮，完成實(shí)訓(xùn)室的建立。其中中職的建筑總面積是300 m2，共有桌面打印機(jī)50臺(tái)，其相應(yīng)的電腦配對(duì)有50臺(tái)，并且還配置有2臺(tái)工業(yè)級(jí)熔融沉積成形設(shè)備及3臺(tái)高清臺(tái)式掃描儀，其中我們中職還有一個(gè)工業(yè)機(jī)用于校企合作。與企業(yè)合作，有針對(duì)性地培養(yǎng)人才，抓好教學(xué)質(zhì)量，注重在校學(xué)習(xí)與企業(yè)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)學(xué)校與企業(yè)資源、信息共享的“雙贏”模式。這種形式的教學(xué)為中職教育的發(fā)展帶來(lái)了春天。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

其教學(xué)內(nèi)容大致由六方面構(gòu)成，包括安全教育、概述的講解、通過(guò)演示進(jìn)行講解過(guò)程、三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)用、創(chuàng)新作品的設(shè)計(jì)、分組進(jìn)行打印作品。

（一）進(jìn)行安全方面的教育。首先講解安全教育，了解每個(gè)機(jī)器的安全工作規(guī)程及其注意事項(xiàng)，讓安全始終占據(jù)首位。

（二）觀看的教學(xué)視頻，涉及此技術(shù)的成型原理、典型的工藝流程，以及其在我們生活的各個(gè)方面及在工業(yè)、航空等領(lǐng)域的運(yùn)用現(xiàn)狀等。觀看前向?qū)W生強(qiáng)調(diào)視頻中即將要講解的內(nèi)容，過(guò)后教師將不再重復(fù)講授這些內(nèi)容，要求學(xué)生必須認(rèn)真觀看，觀看完成后教師進(jìn)行隨機(jī)提問(wèn)或抽查，測(cè)試效果。這種方案有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確保這一教學(xué)任務(wù)的效率。

（三）示范講解階段，將某一簡(jiǎn)單模型的設(shè)計(jì)和制作作為案例，從設(shè)計(jì)到制作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)講解，其中涵蓋了以下部分：Solidworks系統(tǒng)繪制零件圖、桌式3D打印機(jī)UP分析控制設(shè)備的使用規(guī)則、桌面Plus-UP的操作須知、典型問(wèn)題和處理的手段。通過(guò)講解，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有了一個(gè)更為透徹的認(rèn)識(shí)。

（四）三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)用。大多數(shù)參加學(xué)習(xí)的學(xué)生只接觸過(guò)二維的CAD機(jī)械繪圖，或者是從來(lái)就沒(méi)有接觸過(guò)該內(nèi)容，學(xué)生對(duì)三維機(jī)械圖的設(shè)計(jì)還沒(méi)有一定的認(rèn)識(shí)，因此對(duì)于此種問(wèn)題，教師可通過(guò)演示來(lái)進(jìn)行該軟件的操作教學(xué)。利用這種方式讓學(xué)生掌握該軟件的基本操作流程。同時(shí)，讓學(xué)生觀看一些教學(xué)視頻，將草圖繪制作為案例，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、包覆等20多個(gè)指令的操作相關(guān)視頻，其中多媒體教室的每一臺(tái)電腦上都載有此視頻，方便學(xué)生在繪圖過(guò)程中隨時(shí)觀看。教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨堂指導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生在圖形設(shè)計(jì)過(guò)程中所碰到的各種情況。

（五）創(chuàng)意零件的設(shè)計(jì)。如果學(xué)生已基本了解Solidworks系統(tǒng)，就要進(jìn)入一個(gè)新的階段——?jiǎng)?chuàng)意階段，此階段只提供了設(shè)計(jì)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，普遍的整體尺寸x/y/z三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)在20～30 mm 范圍，零件構(gòu)造的繁雜性不作限制。讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)各類小零件、小飾品等，這種以任務(wù)為導(dǎo)向、學(xué)生為中心、教師為指導(dǎo)的方式可以讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握此類軟件基本的操作流程，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新技能。學(xué)習(xí)情況來(lái)講，這種以任務(wù)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)獲得了較好的效果，獲得學(xué)生的一致好評(píng)。