3D打印在工程训练中的教学组织分析

潘丹丹

[摘 要] 3D打印被称作是“有着工业革命意义的制造技术”，能够训练学生的创新能力和实践动手能力，以近机械类领域的学生能力训练为重点，结合教学设备、内容及组织等进行研究，成立一种以学生为中心，从三维模型设计到 3D 打印制造的完整工程综合训练教学形式，在实际中获得了良好的效果。

[关 键 词] 3D打印；工程训练；教学组织

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）32-0076-02

3D打印是一种速成的技术，是以数字化模型为前提，采用粉末状金属或塑料等可粘合原料，运用逐层打印的方法构成物体。因为它在制造工艺方面的创新，成为“第三次工业革命的重要生产工具”。此技术早在20世纪90年代中期就已产生，但因价钱昂贵，还不成熟，最初并没有得到广泛发展。经过20多年的发展，此技术已变得更加成熟、准确，且成本有所下降。现在，此技术已广泛运用到了学科界，工程师、工业设计师利用此将设计的方案转变成原型进行测试，外科大夫利用此制作器官模型来帮助手术，考古学家和博物馆的技师利用此完成珍贵文物的复制，并进行进一步的研究，这种创新的运用在不断走近大众。它的广泛使用大大引起了教育者的重视，教育者开始了解此技术在教育方面的创新，拥有广泛应用前景。本研究将通过分析总结3D打印在工程训练中的组织角色以及应用。

一、3D打印技术的原理及其发展的现状

我们绝大多数人了解的“打印”，就是能够打印文稿或照片等平面东西的一般打印机，实际上二维的喷墨打印方式和多数种类的3D打印在技术上是较相似的，3D打印运用的是特殊机械把材料逐层进行喷涂或熔结到三维的空间中，最后产生所要的目标作品，利用的机器就是3D打印机，其精准性相当高，哪怕是价格较低的低档型号，也能够打印出模型中设计的多数细节，而且它相对铸造、冲压、蚀刻等常规的手段可更快地创建出原型来，尤其是以往形式极其不易制作的特殊结构。一般来说，利用3D打印技术建立一件物品必须要经过建模、分层、打印和后期处理四个必要过程来完成。其中第一台商用的打印机在1986年就有了，坚持了十多年的研究和创新后，其不管是在技术上、造价方面，还是运用范围上都有了很大的进步。随着3D打印应用范围的持续推广，如在消费电子、航空及汽车制造等方面，其能够使用较低成本和较高的效率来生产出小批量的定制部件，实现复杂且精细的造型。当然自20世纪90年代以来，我国的科研领域也已经着手研发自主知识产权的3D打印机，其中清华大学、北京航空航天、华中科技、西安交大等多所学校均在这方面获得了较好的成绩，研究开发出很多型号的3D打印装备和材料。包括北京航空航天大学首次开发形成的飞机钦合金大型复杂整体构件激光成型技术，这成为国际上该领域范围内的主要突破；华中科技大学制作出来的大型3D打印机，能利用激光把原材料变成复杂的工业零件或生活用品。直到2012年年末，工信部宣布要加强顶层的设计和进行统筹规划以促进该产业的推广，并规定其制定的发展方向和可持续发展的战略，完善该技术的规范和标准。

二、3D打印实训室的硬件建设

现在3D打印种类相对较多。在工艺有所差异的设备中，生产量较大的包括熔融沉积快速成形设备、激光选区烧结设备、立体光固化成形设备等。本研究对他们的价格、所用的材料量及成本、使用率等进行了市场调查，涉及学生的数量、专业特征等内容，进行综合考虑，完成实训室的建立。其中中职的建筑总面积是300 m2，共有桌面打印机50台，其相应的电脑配对有50台，并且还配置有2台工业级熔融沉积成形设备及3台高清台式扫描仪，其中我们中职还有一个工业机用于校企合作。与企业合作，有针对性地培养人才，抓好教学质量，注重在校学习与企业实践，实现学校与企业资源、信息共享的“双赢”模式。这种形式的教学为中职教育的发展带来了春天。

三、教学设计

其教学内容大致由六方面构成，包括安全教育、概述的讲解、通过演示进行讲解过程、三维设计系统的运用、创新作品的设计、分组进行打印作品。

（一）进行安全方面的教育。首先讲解安全教育，了解每个机器的安全工作规程及其注意事项，让安全始终占据首位。

（二）观看的教学视频，涉及此技术的成型原理、典型的工艺流程，以及其在我们生活的各个方面及在工业、航空等领域的运用现状等。观看前向学生强调视频中即将要讲解的内容，过后教师将不再重复讲授这些内容，要求学生必须认真观看，观看完成后教师进行随机提问或抽查，测试效果。这种方案有利于学生发现问题，确保这一教学任务的效率。

（三）示范讲解阶段，将某一简单模型的设计和制作作为案例，从设计到制作过程进行详细讲解，其中涵盖了以下部分：Solidworks系统绘制零件图、桌式3D打印机UP分析控制设备的使用规则、桌面Plus-UP的操作须知、典型问题和处理的手段。通过讲解，学生对学习内容有了一个更为透彻的认识。

（四）三维设计系统的运用。大多数参加学习的学生只接触过二维的CAD机械绘图，或者是从来就没有接触过该内容，学生对三维机械图的设计还没有一定的认识，因此对于此种问题，教师可通过演示来进行该软件的操作教学。利用这种方式让学生掌握该软件的基本操作流程。同时，让学生观看一些教学视频，将草图绘制作為案例，如拉伸、旋转、包覆等20多个指令的操作相关视频，其中多媒体教室的每一台电脑上都载有此视频，方便学生在绘图过程中随时观看。教师对学生进行随堂指导，及时解决学生在图形设计过程中所碰到的各种情况。

（五）创意零件的设计。如果学生已基本了解Solidworks系统，就要进入一个新的阶段——创意阶段，此阶段只提供了设计尺寸的标准，普遍的整体尺寸x/y/z三个方向的标准在20～30 mm 范围，零件构造的繁杂性不作限制。让学生自己设计各类小零件、小饰品等，这种以任务为导向、学生为中心、教师为指导的方式可以让学生在短时间内掌握此类软件基本的操作流程，加强学生独立学习的能力，加强学生创新技能。学习情况来讲，这种以任务为导向的学习获得了较好的效果，获得学生的一致好评。