3D打印技術(shù)及其對機械教學(xué)的啟迪

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著科技的發(fā)展，各種各樣的新型科學(xué)技術(shù)隨之出現(xiàn)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)轟動了全國，并在一些地區(qū)和一些領(lǐng)域進行推廣，取得了有目共睹的成果，所以3D打印技術(shù)受到人們的熱捧。自2011年以來，3D打印技術(shù)應(yīng)用于制造工商業(yè)，技術(shù)研究使用掌握在一些制造業(yè)企業(yè)手中。而在現(xiàn)如今的職業(yè)教育中，尤其是機械、材料方面的教學(xué)，3D打印技術(shù)沒有做到相應(yīng)的對接。探究3D打印技術(shù)與機械教學(xué)間的關(guān)系對接，以有助于機械教學(xué)的順利進行。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 3D打印技術(shù);機械教學(xué);機械零件模型;直觀體驗

[中圖分類號]? G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）02-0078-02

近些年來的科技發(fā)展速度前所未有，新技術(shù)、新科技層出不窮，令人目不暇接，各種科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用也在社會中快速推廣。其中，3D打印技術(shù)很受人們的青睞，尤其在機械材料方面，認為其用途潛能和開發(fā)前途無量。這主要取決于3D打印技術(shù)的特點，下面就具體從3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史、原理特點、應(yīng)用領(lǐng)域等方面進行分析。

一、3D打印技術(shù)剖析

（一）什么是3D打印技術(shù)

我們可能認為3D打印技術(shù)是一項相當(dāng)新的技術(shù)，但是這項技術(shù)其實是在20世紀(jì)80年代發(fā)明的。當(dāng)然在那時，有許多同3D打印技術(shù)一樣的新技術(shù)誕生。有史以來第一個3D打印專利于1986年成功發(fā)布，截止到今天，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。例如前段時間就有新聞報道，我們已經(jīng)用3D打印技術(shù)打印出二層辦公樓，使用壽命長達50年。3D打印技術(shù)其實是一種在計算機中以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀的金屬、塑料、砂、陶瓷、尼龍、石膏、橡膠等黏合材料，通過一定的設(shè)備逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)。

（二）3D打印技術(shù)原理特點

3D打印技術(shù)的原理是將一些裝有粉末狀（液體狀和片狀）的金屬、塑料、砂、陶瓷、尼龍、石膏、橡膠等可黏合的原材料的打印設(shè)備在與計算機連接后，通過計算機的控制可以把這些“打印材料”根據(jù)數(shù)字建模一層層疊加起來，最終把計算機上的數(shù)字模型變成實物。3D打印機就是一種可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個立體玩具、打印一個立體手辦，也可以打印各種立體模型，只要一般能夠想到的立體物件，它都能辦到。之所以稱其為“打印機”，主要原因是它參照了普通打印機打印的技術(shù)原理，3D打印技術(shù)的逐層打印的方式與普通打印機的噴墨打印方式十分相似，不過一個是立體的，一個是平面的。3D打印技術(shù)的打印機通過讀取計算機數(shù)據(jù)中的橫截面信息，用粉末狀（液體狀或片狀）的材料將這些截面逐層地打印出來，再將每層截面以各種方式黏合起來從而制造出一個立體實體。有3D打印技術(shù)的這種特點，我們通過它幾乎可以造出任何形狀的物品。

話說回來，如果我們現(xiàn)在需要一個模型，若用以前傳統(tǒng)方法來制造的話，先要設(shè)計數(shù)字模型，再根據(jù)模型數(shù)據(jù)設(shè)計制造出各個部分的模具，再通過模具造出模型各部分然后將它們組合在一起，一個模型就做好了。而要做出一個這樣的模型需要數(shù)小時，復(fù)雜的甚至要數(shù)天。而用3D打印的技術(shù)制作模型，過程就沒有那么復(fù)雜，只需要在計算機上做好數(shù)字模型，準(zhǔn)備好原材料，連接3D打印機開始工作就好，工作人員只需要適當(dāng)控制，進行制作速度修正（有些材料需要一定時間的凝固成形），從這一點就可以看出3D打印技術(shù)的速度更快。另外，3D打印技術(shù)的原材料成本較低，而成本低的材料就可以大量生產(chǎn)產(chǎn)品，這可以看出3D打印技術(shù)的另一個優(yōu)勢。還有就是3D打印機體積小，能節(jié)省大量空間，很適合一些設(shè)計者或概念開發(fā)小組。

（三）3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印存技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，既取決于它的高效率，還取決于它的包容性。它的包容性是可以用多種打印原材料和多種的打印方式來構(gòu)建和創(chuàng)建物件。根據(jù)這些特性，才讓3D打印技術(shù)應(yīng)用在很多領(lǐng)域。比如在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印鷹眼警用無人機結(jié)構(gòu)件、火箭離子推進器篩網(wǎng)、航天器芯片散熱器、金屬3D打印航空渦噴發(fā)動機等;比如在汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印車架、保險杠、油箱、進氣罩、油泵、閥門、汽車儀表盤等;還比如在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印3D打印術(shù)前模型，3D打印手術(shù)導(dǎo)板，3D打印脊柱、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)假體等;再比如在文化創(chuàng)意領(lǐng)域，3D打印技術(shù)能夠打印人物模型、珠寶首飾、卡通漫畫手辦等。涉及領(lǐng)域之多足見3D打印技術(shù)在生活之中的廣泛應(yīng)用，幾乎在生活中的方方面面都能找到可能。

二、3D打印技術(shù)對機械教學(xué)的啟迪

（一）傳統(tǒng)機械教學(xué)

機械教育是一門具有很強理論性和實踐性的課程，機械理論和機械實踐這些基礎(chǔ)對機械教育尤為重要。而在傳統(tǒng)的機械教學(xué)中，大多注重理論教育，對實踐教育是有心無力的狀態(tài)，為什么這么說呢？按理來說，實踐教育是可以把枯燥而又抽象的機械原理變得直觀生動的，實踐可以讓學(xué)生眼、手、腦并用，互相配合，讓學(xué)生看、做、想結(jié)合，加深學(xué)生對機械原理的理解，并留下深刻的印象。所以機械實踐教學(xué)中需要一些機械零件模型，而機械零件模型在數(shù)量上難以滿足人手一件的需求，而且有些教學(xué)用的機械零件模型造價昂貴，只能讓學(xué)生進行觀摩。課堂上要實際操作機械零件模型，由于學(xué)生眾多，課堂時間有限，分配到每個學(xué)生身上的體驗時間很少，大多數(shù)學(xué)生根本沒機會上手進行實際操作，這也大大影響了整個機械教育教學(xué)的質(zhì)量。當(dāng)然，學(xué)校也通過其他方法來解決機械模型稀缺的問題，比如理論聯(lián)系實踐，在生活中引入常見的事物，或者利用多媒體制作一些簡單的動畫進行演示，又或者是讓學(xué)生自己動手自制一些模型與實物對比。學(xué)校想通過這些方法改變枯燥抽象的機械教育方法，來增加直觀性和互動性培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是想法很豐滿，現(xiàn)實很骨感，這些方法對于那些想象力、空間能力、抽象能力較強的學(xué)生來說有一定的幫助，但是對于普通學(xué)生來說只靠看演示根本沒辦法理解體會原理，機械零件模型對他們的學(xué)習(xí)來說很重要。若不解決這些問題，不但不會讓他們對機械教學(xué)產(chǎn)生興趣，甚至還會因為看不懂、想不透原理而摸不著頭腦，然后學(xué)生可能就會逐漸失去信心，甚至產(chǎn)生厭學(xué)情緒，這樣很不利于機械教學(xué)。

（二）3D打印技術(shù)在機械教學(xué)中的應(yīng)用

通過對傳統(tǒng)機械教育的分析，我們知道了機械教學(xué)中實踐教育在教學(xué)過程中出現(xiàn)機械模型稀缺的問題，這是一種硬性問題。解決這種實踐教學(xué)中機械模型稀缺的問題，需要校方大力投資，補充機械零件模型數(shù)量，增加實踐課堂的數(shù)量，但是由于資金等原因，這種解決方法實行有待商榷，這時3D打印技術(shù)走進了我們的視野。我國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入高速發(fā)展期，而3D打印技術(shù)的特性原理能與機械教學(xué)很好對接。由于3D打印技術(shù)是一種數(shù)字技術(shù)，技術(shù)人員通過對數(shù)字信息的控制，用計算機操作，采用逐層打印的方式來制造立體實物，這在很大程度上使生產(chǎn)過程簡化，省去了很多復(fù)雜的制作過程，再配合廉價的打印材料，既方便了制作流程，又節(jié)約了生產(chǎn)成本?；氐侥Ｐ拖∩俚膯栴}上，我們完全可以利用3D打印技術(shù)來制作模型，由于機械模型都是看得到摸得著的立體物件，以往大批量生產(chǎn)制造要耗費大量時間和金錢，但是有了3D打印技術(shù)，這些擔(dān)憂都可以迎刃而解。打印機械模型比制造機械模型在制作過程中能節(jié)省許多工作流程，3D打印技術(shù)在打印模型時只需要一個技術(shù)員，在計算機里設(shè)計好數(shù)據(jù)模型，再將計算機連接好3D打印機，然后就開始打印，只要打印材料充足，想打印多少機械零件模型都可以，數(shù)量上可以滿足需求，而且操作打印流程簡單，這點完勝一些模型工廠。3D打印技術(shù)操作簡單，具有高度的穩(wěn)定性，即使有什么問題也能夠及時調(diào)整。在機械零件模型打印中，我們也可以通過機械零件模型材質(zhì)的特點，選擇不同的打印材料。3D打印技術(shù)就很好地解決了機械模型稀缺的問題。

解決了機械模型稀缺的問題，對機械教學(xué)來說，就能達到事半功倍的效果。試想一下在機械教學(xué)實踐課中，學(xué)生人手一件機械模型，就能做到直觀體驗。例如在上課過程中講解四桿機構(gòu)時，教師就可以用3D打印機打印出的模型分發(fā)到每個學(xué)生手里，讓他們親手轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，觀察后就能對極位夾角、共線、急回特征、死點位置等概念有著深刻理解，這種理解是透徹的，是刻骨銘心的。在機械教學(xué)實踐教育中，機械模型可以把枯燥抽象的機械原理變得直觀生動，可以讓學(xué)生眼、手、腦并用，互相配合，讓學(xué)生看、做、想結(jié)合，加深理解，并留下深刻的印象，從而對機械學(xué)習(xí)產(chǎn)生深厚的興趣。有了機械模型，在深厚學(xué)習(xí)興趣的驅(qū)動下，學(xué)生會主動思考，在思考之中會迸發(fā)出一種不可忽視的創(chuàng)造力，這樣的創(chuàng)造力會讓機械教學(xué)取得很大的成功。

三、結(jié)語

3D打印技術(shù)是我國工業(yè)方面的一次重大變革，它可以應(yīng)用到生活中的各個方面，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)促進了我國各行各業(yè)的發(fā)展，為各行各業(yè)提供了技術(shù)支持，縮短生產(chǎn)線，節(jié)省人力物力，提高了生產(chǎn)效率，為各行各業(yè)提供了方便。3D打印技術(shù)能夠打印出立體物件，而機械教學(xué)需要立體物件模型，3D打印技術(shù)與機械教學(xué)的組合，讓機械教學(xué)充滿了活力生機。3D打印技術(shù)在機械教學(xué)中的應(yīng)用也讓我們看到了科學(xué)技術(shù)能夠改變生活，科學(xué)技術(shù)能夠改變認知，通過科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用來解決我們已知的一些問題，所以說二者是可以相互促進的。同時，我們應(yīng)該擺脫固定思維，靈活運用各種新技術(shù)，使生活工作的效率變得更加高效。

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編輯 司 楠

作者簡介：劉永利（1966—），男，黑龍江綏化人，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：逆向設(shè)計及3D打印技術(shù)應(yīng)用。