3D打印在機(jī)械教學(xué)上的應(yīng)用和探索

林仁達(dá) 陳光 楊龍飛

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)中的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)日漸提升。本文對(duì)3D打印技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，討論3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)上的應(yīng)用和探索。我們結(jié)合機(jī)械教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問題，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)能夠營造真實(shí)立體的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于機(jī)械專業(yè)學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械教學(xué)；創(chuàng)新應(yīng)用；探索

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.210

1 3D打印技術(shù)的原理和特點(diǎn)

1.1 3D打印技術(shù)概念

3D打印技術(shù)也可稱為“快速成型技術(shù)”，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印以及逐層添加材料來構(gòu)造三維實(shí)物的技術(shù)。通常用的三維設(shè)計(jì)軟件用的CAD軟件包括SoliDWorks、Pro/E、UG、Inventor和POWERSHAPE等。3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用作模型的制作，并且隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和國家對(duì)其的重視，在各個(gè)領(lǐng)域都有它的蹤跡。

1.2 3D打印技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

近年來，3D打印技術(shù)逐漸成熟，推動(dòng)了機(jī)械教學(xué)的發(fā)展，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在機(jī)械加工中，3D打印技術(shù)是一種無需加工的成型方式，它不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，能夠快速且精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件?？梢哉f它是一種新型加工方式，具有“工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”的突破。在制造周期上，3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)的數(shù)控加工時(shí)間要短得多，極大地簡(jiǎn)化了制造過程，提高了制造效率。

2 機(jī)械教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

在機(jī)械實(shí)踐教學(xué)中，模型制作課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般包括石膏模型制作、油泥模型制作、手板模型制作等方法[1]。我校的教學(xué)任務(wù)中也有油泥模型制作，但是這些傳統(tǒng)的模型制作方法在效率上和技術(shù)含量上已然跟不上時(shí)代的發(fā)展。在目前的機(jī)械教學(xué)中，盡管大多數(shù)教師都是利用多媒體技術(shù)輔助課堂講解，使用圖片、視頻甚至模型開展教學(xué)，但仍存在不足之處。在傳統(tǒng)教學(xué)方式下，以課本內(nèi)容為主，教師對(duì)知識(shí)進(jìn)行“填鴨式”的講解。這種千篇一律的以書面為主的“灌輸式”教學(xué)，會(huì)大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，那學(xué)生就更不愿意學(xué)習(xí)了[2]。

因此，為解決學(xué)生學(xué)習(xí)困難的問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，將3D打印技術(shù)引入課堂便顯得十分重要。目前在教育工作者的不懈努力和探索下，3D打印機(jī)已進(jìn)入校園。我國多所高校也引進(jìn)了3D打印機(jī)用于幫助師生進(jìn)行日常教學(xué)工作以及科研創(chuàng)新。3D打印技術(shù)可以將學(xué)生腦中想象的模型快速轉(zhuǎn)化成實(shí)體，加速設(shè)計(jì)制造過程。將模型打印成實(shí)物的過程，能夠讓物體的二維投影視圖與三維立體結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，能大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)生想象力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，這也符合“創(chuàng)新教育”和“個(gè)性化教育”的理念。

3 3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)上的實(shí)際應(yīng)用

將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能夠?qū)χ圃鞂?shí)物提供更多的選擇[3]。為滿足更高效的教學(xué)質(zhì)量，我們將3D打印機(jī)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

3.1 打印教學(xué)用具和開發(fā)教學(xué)模型

在機(jī)械教學(xué)中，《機(jī)械制圖》被稱為機(jī)械語言，扮演著至關(guān)重要的角色。在《機(jī)械制圖》課程教學(xué)時(shí)，教師通常會(huì)用實(shí)物模型輔助教學(xué)，它能將物體的二維投影視圖與三維立體結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，將抽象的圖形實(shí)體化，以便學(xué)生能夠直接的觀察學(xué)習(xí)并且掌握。那么，可以使用3D打印技術(shù)打印教學(xué)模具與《機(jī)械制圖》相結(jié)合，輔助教學(xué)。在教學(xué)過程中，教師會(huì)把經(jīng)典的機(jī)械模型用于課堂講解，但是傳統(tǒng)的教學(xué)模具多為木質(zhì)、鋁制及鋼制，這類模具制造成本高，周期長(zhǎng)。為滿足教學(xué)講解模型的需求，學(xué)校需要投入大量的財(cái)力和物力。這時(shí)3D打印技術(shù)就能充分地發(fā)揮其作用，解決這類問題。3D打印機(jī)基本不受物體外形的限制，可以打印復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，就能很好地彌補(bǔ)教學(xué)中出現(xiàn)的“缺乏教學(xué)模型”的問題。圖1為我們項(xiàng)目組打印的教具。

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，課堂的趣味性，在已有的教學(xué)模具中，我們對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，開發(fā)新型教學(xué)模具，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，用于學(xué)生課后學(xué)習(xí)的思維訓(xùn)練。我們項(xiàng)目組通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在上課缺乏教學(xué)用具這方面也提出了建議，因此我們就對(duì)教學(xué)用具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。在打印教學(xué)用具的時(shí)候，如果將教學(xué)模型進(jìn)行改編，就能開發(fā)出新型的教學(xué)用具。所以我們項(xiàng)目組就將部分模型進(jìn)行分析，重新設(shè)計(jì)了一些新型教具。加上學(xué)校和老師的大力支持我們開發(fā)了許多新的模型。圖2為我們改編的教學(xué)用具。

3.2 在科技比賽中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的興起，受到了各大學(xué)科競(jìng)賽、科技比賽的青睞。全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、高教杯全國大學(xué)生先進(jìn)成圖與產(chǎn)品信息創(chuàng)新建模大賽、全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、大學(xué)生3D打印設(shè)計(jì)大賽等比賽中，都有3D打印技術(shù)的蹤跡。這些比賽將3D打印作為比賽項(xiàng)目之一，發(fā)揮了3D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)產(chǎn)品快速的實(shí)體化的作用，大大調(diào)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的積極性的同時(shí)，也為他們做創(chuàng)新項(xiàng)目提供了技術(shù)支持與保障。

我們?cè)趨⒓釉O(shè)計(jì)類大賽的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)3D打印件不僅能夠滿足部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的硬度和強(qiáng)度，而且它能夠快速成型，這就大大縮短了部分機(jī)械零件的制造時(shí)間。于是，我們?cè)跈C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的設(shè)計(jì)制作的時(shí)候都利用了3D打印技術(shù)。圖3是機(jī)械創(chuàng)新中的應(yīng)用，圖4是無碳小車中的應(yīng)用。

3.3 作為教學(xué)評(píng)估的工具[4]

3D打印技術(shù)在教學(xué)評(píng)價(jià)方面也有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于我們機(jī)械專業(yè)的師生來說更加有意義。在傳統(tǒng)的紙面測(cè)試中，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)評(píng)價(jià)就大不相同了。通過3D打印機(jī)，能夠直接打印出學(xué)生理想作品的外觀和結(jié)構(gòu)，且能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裝配，能夠有效地考察學(xué)生的實(shí)際操作能力。此外，教師也可以跟進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題，并及時(shí)給予修正和指導(dǎo)。所以非常實(shí)用于教學(xué)評(píng)估。

3.4 開設(shè)3D打印課程設(shè)計(jì)

3D打印制造技術(shù)在機(jī)械實(shí)踐教學(xué)中扮演著十分重要的角色。3D打印制造技術(shù)屬于快速成型技術(shù)，《快速成型技術(shù)》該課程在我校的機(jī)械教學(xué)任務(wù)中屬于必修科目，它的課程設(shè)計(jì)也尤其受到重視。該課程設(shè)計(jì)是以創(chuàng)新設(shè)計(jì)多樣化，制造成本合理化，制造周期最優(yōu)化為原則，完成“基礎(chǔ)知識(shí)—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—快速成型—結(jié)果評(píng)估”[3]的設(shè)計(jì)制造過程。該課程設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)步驟：第一步，學(xué)生完成對(duì)快速成型的知識(shí)積累。第二步，學(xué)生自行設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模型，并且自行進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，看是否滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)的。第三步，對(duì)自行設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速成型制造，完成從設(shè)計(jì)到制造的轉(zhuǎn)化。這不僅激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意靈感，還豐富了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，更為個(gè)性化的實(shí)物制作提供了便利，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力起到了很好的作用。我校開設(shè)3D打印課堂，我們也積極參與了進(jìn)來。在課設(shè)過程中，我們符合教學(xué)任務(wù)，做出了相應(yīng)的一些作品。在機(jī)械制造中，能夠自行設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品不僅是對(duì)知識(shí)的實(shí)踐，更是對(duì)實(shí)踐能力和工程能力的體現(xiàn)。圖5、圖6、圖7為我們?cè)O(shè)計(jì)制造的實(shí)物模型。

4 3D打印技術(shù)在教學(xué)上的探索

4.1 建立一個(gè)第二課堂

所謂大學(xué)第二課堂，是指在學(xué)校教學(xué)計(jì)劃之外，引導(dǎo)和組織學(xué)生開展的各種有教育意義的課外活動(dòng)。相對(duì)于第一課堂，第二課堂是比較隨意的，但是第二課堂對(duì)學(xué)生自主管理的培養(yǎng)，綜合素質(zhì)的提升有著重要的作用，這些因素將直接影響到學(xué)生的職業(yè)規(guī)劃與就業(yè)選擇?？紤]到部分學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)比較感興趣，但是他們卻沒有很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。因此，我們項(xiàng)目組在超新泛雅網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)了一個(gè)第二課堂。一方面，這能為3D打印技術(shù)做到宣傳，讓更多的學(xué)生了解3D打印技術(shù)及其最新變化。另一方面，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)課堂，我們能夠在工作時(shí)間內(nèi)在線進(jìn)行實(shí)時(shí)解答，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。圖8、圖9為第二平臺(tái)的建設(shè)。

4.2 增強(qiáng)校企合作，以獲得雙贏

在許多工科院校中，企業(yè)實(shí)習(xí)是非常有必要的。3D打印技術(shù)雖然流行，但是3D打印機(jī)的價(jià)格比較昂貴，大部分學(xué)生難以接受，所以將3D打印技術(shù)引入到校企合作項(xiàng)目中必將成為潮流。教師、學(xué)生及企業(yè)工程師組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)揮其主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，共同完成教學(xué)、科研和對(duì)外服務(wù)的任務(wù)。這樣就能夠發(fā)揮校企各自的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)立高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制，大大提高了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)企業(yè)的科技進(jìn)步，推動(dòng)生產(chǎn)發(fā)展，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，從而實(shí)現(xiàn)互利共贏。學(xué)校為企業(yè)輸送優(yōu)秀的人才，企業(yè)則為學(xué)校提供一定的資金補(bǔ)助。建立校外實(shí)習(xí)基地也可以為學(xué)生提供良好的實(shí)踐場(chǎng)所，同時(shí)企業(yè)也可以與學(xué)校共同研發(fā)3D打印技術(shù)，進(jìn)而提高研發(fā)的效率。因此，我們可以建立和加強(qiáng)校企合作，以獲得雙贏，也能為3D打印技術(shù)的發(fā)展做點(diǎn)貢獻(xiàn)。

4.3 3D打印技術(shù)與創(chuàng)業(yè)相結(jié)合

在新時(shí)期的教學(xué)任務(wù)中，深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思想對(duì)高質(zhì)量創(chuàng)新教學(xué)具有重要的推動(dòng)作用。對(duì)于在校學(xué)生而言，3D打印不失為一個(gè)良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。3D打印能為學(xué)生提供了多種類型的就業(yè)方向，如DIY設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、個(gè)性化產(chǎn)品定制等等。因此，我們項(xiàng)目組在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)這方面也進(jìn)行了一些規(guī)劃。我們項(xiàng)目組做了為期三周的市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上用3D打印技術(shù)制作的工藝品、掛件等3D打印成品件市場(chǎng)前景廣闊。因此，我們可以在第三方市場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)工藝品售賣。圖10是我們做的“挪車電話”。

5 結(jié)論

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的科技人才已經(jīng)成為建設(shè)創(chuàng)新型國家的基礎(chǔ)[5]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械教學(xué)不僅能夠拓展學(xué)生的思維，還能提高學(xué)生的創(chuàng)造力與想象力。我們項(xiàng)目組經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一年的努力，本組學(xué)生都能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，獨(dú)立操作3D打印機(jī)并且能夠通過3D打印機(jī)制造個(gè)性化設(shè)計(jì)工藝品。在教學(xué)內(nèi)容這一方面，也豐富了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，使學(xué)生無論是在課堂的教學(xué)中還是在課外的科技活動(dòng)中都體現(xiàn)出了空前的積極性。

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基金項(xiàng)目：省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“基于3D打印機(jī)在教學(xué)上的二次開發(fā)”（編號(hào)：201811927030）。

*為通訊作者