3D打印技術(shù)在“機(jī)械原理”課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用*

劉邦雄，吳靖雯，賴偉洪

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

“機(jī)械原理”作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)專業(yè)核心課程，與其他專業(yè)基礎(chǔ)課有著非常大的聯(lián)系，需要學(xué)生打好良好的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力所需的知識(shí)、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位[1-3]。近年來(lái)，3D打印機(jī)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出不斷深化、不斷擴(kuò)大應(yīng)用的態(tài)勢(shì)[4-7]。學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)模型，借助3D打印技術(shù)制成實(shí)物模型，能激發(fā)學(xué)生對(duì)“機(jī)械原理”課程的興趣，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，并且能使其更好地掌握課程內(nèi)容，為本專業(yè)的其他課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)[8]。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)的概述

3D打印技術(shù)又稱為三維增材打印技術(shù)，是快速成型的一種工藝，將液態(tài)光敏樹(shù)脂材料、熔融的塑料絲、石膏粉等材料通過(guò)一層一層材料堆積的方式分層制作出三維模型。與傳統(tǒng)的打印機(jī)運(yùn)行過(guò)程類似，只是傳統(tǒng)打印機(jī)使用的是真正的墨水，打印出的是平面二維圖，3D打印機(jī)是用實(shí)體材料打印成3D的實(shí)體模型。3D打印機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)材料制造技術(shù)在于它具有仿真性強(qiáng)、成型快、價(jià)格便宜、應(yīng)用性高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 3D打印機(jī)的加工過(guò)程

3D打印可以分成以下三個(gè)主要步驟。

1）3D建模。在建模過(guò)程中有兩種方法獲取3D模型，第一種方法是學(xué)生按照想要打印模型的尺寸和參數(shù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行建模，然后在3D打印機(jī)中打印出實(shí)體模型；第二種方法是學(xué)生用3D掃描儀對(duì)想要建模的對(duì)象進(jìn)行外形和結(jié)構(gòu)的掃描，得出模型后在3D打印機(jī)中打印出實(shí)體模型。

2）分層材料堆積。目前3D打印的主要工藝有五種，第一種工藝是熔融沉積建模（FDM），讓塑料絲在噴嘴處加熱至半液態(tài)后，再一層一層地?cái)D在平臺(tái)上在室溫下固化形成模型。第二種工藝是選擇性激光燒結(jié)或熔化（SLS、SLM），將黏合材料的特殊膠水適量噴灑涂抹在材料成型的區(qū)域，然后再將所需的塑膠粉末或石膏粉末均勻噴灑在區(qū)域內(nèi)。粉末和膠水之間會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)迅速固化黏結(jié)。第三種工藝是立體光刻（SLA），將3D建模導(dǎo)入3D打印的分層處理軟件，利用UV激光器或光投射器連續(xù)跟蹤物體的每個(gè)切片層，將光敏樹(shù)脂層固化成硬化塑料，直到形成最終3D模型。第四種工藝是直接能量沉積，將原料熔化再和熔化的材料沉積融合在一起后固化。第五種工藝是分層實(shí)體制造（LOM），使用機(jī)械切割機(jī)或者激光切割材料再黏合在一起。

3）實(shí)體模型處理。對(duì)打印出來(lái)的3D模型進(jìn)行打磨、修補(bǔ)、拋光等工藝處理。

2 機(jī)械原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

“機(jī)械原理”一直是一門(mén)較為晦澀難懂的專業(yè)課，以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，它涉及機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，不僅對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和綜合能力具有重要的教學(xué)作用，而且在整個(gè)機(jī)械類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中占有重要的地位。在專業(yè)教學(xué)體系中，“機(jī)械原理”課程具有承上啟下的作用，是學(xué)生對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及接觸新的機(jī)械知識(shí)的基本，學(xué)生想要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械制造有更深層次的了解，必須打好“機(jī)械原理”這門(mén)課的基礎(chǔ)。教師必須重視這門(mén)課的教學(xué)過(guò)程以及結(jié)果，需要引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

中國(guó)目前的工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)“噴井式”的狀態(tài)，愈來(lái)愈多新型技術(shù)和理論知識(shí)出現(xiàn)。傳統(tǒng)教學(xué)模式與方法僅單純灌輸式教學(xué)，傳授給學(xué)生生硬枯燥的理論知識(shí)，缺少了和實(shí)踐的結(jié)合，難以確保學(xué)生是否能夠掌握教學(xué)內(nèi)容，無(wú)法保證學(xué)習(xí)效果。因此，教師也需要不斷汲取新的知識(shí)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)熱情，指導(dǎo)學(xué)生新的學(xué)習(xí)方法，教師將從知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和學(xué)生發(fā)展的促進(jìn)者。

3 3D打印技術(shù)在“機(jī)械原理”課程教學(xué)中應(yīng)用的意義

由于“機(jī)械原理”這門(mén)課程的內(nèi)容涉及十分復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，剛接觸該學(xué)科的學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)實(shí)體的機(jī)械機(jī)構(gòu)或者機(jī)械零件，如果僅僅只是依靠教材中的習(xí)題、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖學(xué)習(xí)這門(mén)課程，有較大的學(xué)習(xí)難度，會(huì)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，甚至對(duì)本課程產(chǎn)生抵觸情緒。利用3D打印技術(shù)可以使教材中抽象難懂的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體化，形象生動(dòng)。因此，將3D打印技術(shù)與“機(jī)械原理”課程教學(xué)相結(jié)合是非常有必要的。3D打印技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）將課程內(nèi)容實(shí)體化，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度。學(xué)生可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)圖紙，建立三維模型，將復(fù)雜的機(jī)械原理、機(jī)械機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)踐了解得更加透徹。用3D打印機(jī)將三維機(jī)械模型“從無(wú)到有”的制造出來(lái)，獲得了成就感，同時(shí)增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和對(duì)機(jī)械原理理論知識(shí)的理解，大大減少了學(xué)習(xí)難度。

2）提高了學(xué)生的綜合能力。在學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)制造機(jī)械三維模型時(shí)，需要掌握機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以及掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用，通過(guò)結(jié)合位移分析、力學(xué)分析在軟件中建立模型，最后進(jìn)行3D打印并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程讓學(xué)生直觀了解零件的形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算；機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、理論原理，同時(shí)還能基本運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通。這對(duì)學(xué)生的工程能力和綜合能力的提高有著明顯的效果。

3）增加了師生之間的溝通。傳統(tǒng)課程教學(xué)中教師通常將教材中的內(nèi)容傳授給學(xué)生，學(xué)生人數(shù)多，知識(shí)水平參差不齊，掌握的程度也不同，教師難以進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)。將3D打印實(shí)踐與教學(xué)結(jié)合在一起，教師可以將掌握程度不同的學(xué)生分組，實(shí)行知識(shí)掌握良好的同學(xué)幫助知識(shí)掌握不夠扎實(shí)的同學(xué)的小組實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行小組記錄，教師將對(duì)每組的實(shí)踐過(guò)程實(shí)施相應(yīng)問(wèn)題的答疑解惑，通過(guò)學(xué)生之間的溝通和反饋，教師不僅可以清晰了解到每個(gè)同學(xué)的情況還能增加師生之間的溝通，構(gòu)建良好的師生關(guān)系和高效率的課堂教學(xué)。

4 3D打印技術(shù)在課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

“機(jī)械原理”課程中，四桿機(jī)構(gòu)占有較為重要的一部分，是學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)需要掌握的關(guān)鍵內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只能從課本和教具來(lái)理解四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)作方式，無(wú)法很好地掌握四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。教師可以通過(guò)讓學(xué)生對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D建模，再通過(guò)3D打印機(jī)打印出直觀的教具，方便學(xué)生對(duì)四桿機(jī)構(gòu)掌握透徹。

1）設(shè)計(jì)平面四桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)題目給出具體的機(jī)構(gòu)參數(shù)，讓學(xué)生對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，大概得出平面四桿機(jī)構(gòu)圖。

2）繪制四桿機(jī)構(gòu)的三維模型。學(xué)生根據(jù)對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，得到四桿機(jī)構(gòu)各桿的長(zhǎng)度，在UGNX3D建模軟件中構(gòu)建出各桿的3D模型，通過(guò)各桿之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，按照所需要的自由度進(jìn)行裝配。最后經(jīng)過(guò)UG運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

3）將四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D打印。得出相應(yīng)的四桿機(jī)構(gòu)模型后，對(duì)生成的文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換導(dǎo)入3D打印軟件，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)各零部件分開(kāi)打印出3D模型，最后進(jìn)行零件的裝配和后期處理。3D打印技術(shù)不僅可以應(yīng)用在四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還可以應(yīng)用在凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪、軸承等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這種實(shí)踐與理論相結(jié)合的教學(xué)模式，可以讓學(xué)生更加直觀地理解抽象的內(nèi)容，理解“機(jī)械原理”這門(mén)課的主旨。

5 結(jié)論

通過(guò)3D打印技術(shù)在“機(jī)械原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用，將艱深晦澀的內(nèi)容與妙趣橫生的實(shí)踐結(jié)合在一起，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容更加感興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，提升了課堂的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)教學(xué)創(chuàng)新改革有著“里程碑”式的影響。各大高校應(yīng)該加大3D打印技術(shù)在課程教學(xué)的應(yīng)用，完善教育體系，鼓勵(lì)教師深入研究3D打印技術(shù)，更好地將3D打印技術(shù)運(yùn)用在教學(xué)中，保障教學(xué)的質(zhì)量。