3D打印技術(shù)在機(jī)械課程教學(xué)中的應(yīng)用

王麗詠

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110045）

3D打印作為新興的先進(jìn)制造技術(shù)，將其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與機(jī)械專業(yè)課程相融合，全面拓展和完善教學(xué)方法，不斷推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，更進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

一、3D打印技術(shù)的含義

3D打印技術(shù)在數(shù)字模型文件的基礎(chǔ)上，將粉末的金屬或塑料材質(zhì)逐層進(jìn)行打印最終形成物體，它可通過電腦數(shù)據(jù)控制3D打印機(jī)把一切形狀打印出來，從而節(jié)省商品的制造成本，3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于十九世紀(jì)末期，它將光固化、紙疊層技術(shù)結(jié)合在一起，可在短時(shí)間內(nèi)成型，和普通打印機(jī)的運(yùn)行原理類似，打印原料的不同造成了差異性，普通的打印機(jī)的打印原料是紙和石墨，而3D打印機(jī)則采用粉末狀金屬、陶瓷、砂石為主原料，在內(nèi)測(cè)配置液體或粉末等材料，通過控制電腦把打印的材料一層一層進(jìn)行疊加，最后將計(jì)算中的圖像生產(chǎn)為實(shí)物。根據(jù)它的原理特性，它在很多地方都有運(yùn)用，譬如模型開發(fā)等，使用傳統(tǒng)的方式制造模型首先要設(shè)計(jì)圖紙，然后將材料拼湊在一起最終制成模型，現(xiàn)在使用3D打印技術(shù)就能在很短的時(shí)間內(nèi)制作出更精美、精致的模型，因此，在日常生活中人們更喜歡使用3D打印技術(shù)制作器件。

二、3D打印的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量、成本低、復(fù)雜制造能力好、材料利用率高等特點(diǎn)，3D打印機(jī)采用選擇性激光熔煉技術(shù)，用激光將金屬粉末加熱成型，相比數(shù)控機(jī)床制造，既可以縮短制造時(shí)間，又可以提高制造精度，降低制造成本，一舉多得。3D打印不需事先制模，也不必鑄造原型，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少了產(chǎn)品從研發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間，降低了企業(yè)因開模不當(dāng)可能導(dǎo)致的高成本風(fēng)險(xiǎn)，使得特殊和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型的制作也變得簡(jiǎn)單。另外，3D打印是增材制造，使用金屬粉或其他材料，使部件從無到有，大大減少了原材料和能源的消耗，生產(chǎn)上實(shí)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

三、3D打印技術(shù)在機(jī)械課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）實(shí)物打印，分析原理

根據(jù)課堂的知識(shí)內(nèi)容，進(jìn)行對(duì)實(shí)物的打印，比如機(jī)械基礎(chǔ)課堂中四桿機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)等知識(shí)中，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行對(duì)四桿機(jī)構(gòu)，齒輪，蝸桿蝸輪的打印，就可以加深學(xué)生對(duì)機(jī)械傳動(dòng)原理和傳動(dòng)比計(jì)算的理解。在制造過程中，教師將學(xué)生進(jìn)行分組，小組合作的方式進(jìn)行建模。通過對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)的初步掌握，讓學(xué)生能夠依據(jù)實(shí)物進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字建模。學(xué)生邊做邊學(xué)，邊學(xué)邊懂，邊懂邊理解其工作原理，達(dá)到一定的學(xué)習(xí)效果，激起學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

（二）設(shè)計(jì)輔助

通過三維建模，不僅可以為3D打印建立數(shù)據(jù)庫(kù)，還可以鍛煉學(xué)生的三維建模能力。在學(xué)生設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)中，3D打印能夠幫助擺脫單一的計(jì)算機(jī)繪圖和文檔計(jì)算，及時(shí)將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)際制作過程，有助于更好的掌握知識(shí)。機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)離不開設(shè)計(jì)，作為輔助的樣機(jī)制作過程不可或缺，學(xué)生主要依靠虛擬技術(shù)能夠?qū)嶒?yàn)虛擬裝配，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。借助3D打印，學(xué)生可以直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為實(shí)際，通過生產(chǎn)、低成本小型樣機(jī)，有助于解決虛擬技術(shù)中不能體現(xiàn)的問題，對(duì)于一些精度要求不高的復(fù)雜零件，在沒有模具的條件下可以直接制作并使用，在節(jié)約時(shí)間的同時(shí)大大降低了開支，提高了生產(chǎn)效率。

（三）內(nèi)容拓展，精煉總結(jié)

根據(jù)知識(shí)內(nèi)容實(shí)物的打印，對(duì)知識(shí)內(nèi)容工作原理的理解后，將知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行拓展，充實(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容。比如四桿機(jī)構(gòu)的三種類型如何區(qū)分，以同樣長(zhǎng)度的四桿機(jī)構(gòu)，取不同桿為機(jī)架，因最短桿的不同位置，就會(huì)得出不同類型機(jī)構(gòu)等的工作結(jié)構(gòu)。按照傳統(tǒng)的教學(xué)，學(xué)生是很難直觀的理解，那么，通過3D打印四桿機(jī)構(gòu)，得出實(shí)物進(jìn)行組裝，將會(huì)得到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在組裝過程中，不斷迸發(fā)出很多問題，然而又不斷的因?yàn)閷?shí)踐而得出真理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手動(dòng)腦能力。

（四）故障模擬

機(jī)械專業(yè)中，有許多分析故障的教學(xué)內(nèi)容，如切削刀具崩刃、齒輪損傷，使用真實(shí)教具經(jīng)濟(jì)性差，且數(shù)量有限，實(shí)際模擬危險(xiǎn)系數(shù)高，并有可能會(huì)損害機(jī)床或設(shè)備。3D打印的應(yīng)用可以在降低成本、避免損傷的同時(shí)達(dá)到展示效果。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，3D打印是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，并且正在逐步被引入到三維建模、模型制作、模具設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)中，并取得了良好的教學(xué)效果。將3D打印技術(shù)引入機(jī)械制造綜合實(shí)踐教學(xué)過程中，既可以使學(xué)生掌握3D打印的基本方法，也可以在此基礎(chǔ)上完成殼體后續(xù)的機(jī)械加工工藝，提升機(jī)械制造綜合訓(xùn)練的效果，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力起著重要作用。