浅谈3D打印在数控专业教学中的应用

曾志宏

摘 要：3D打印技术是一个新时代的新兴技术，它足以引导第三次工业革命。作为技工院校应该提前去了解并掌握和发展其技术，放眼未来，把握新兴技术的气息，积极培养掌握3D打印技术的创新型人才，为落实《中国制造2025》强国战略培养智能制造专业人才。3D打印逐步在教育领域得到应用，因此如何在教学中应用3D打印技术，培养学生的创新能力，我们作了一些尝试。

关键词：3D打印；教学；模型制作；三维建模

一、我国快速发展的3D打印技术

2018年2月6日， 中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组，在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，开发出一款超级快速、连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。该3D打印机的速度达到创纪录的600毫米/小时，可在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60毫米的三维物体。同样物体采用传统的立体光固化成型工艺（SLA）来打印，则需要约10个小时。这意味着前者速度提高了100倍。

2018年3月5日 中国首台自主研发的微型金属3D打印机在山东青岛西海岸新区正式发布。该3D打印机采用选区激光融化机制成型金属件，可用于多材料、高性能的金属零部件的直接制造。该设备的发布填补了中国相关领域的空白。

2018年5月9日凌晨，太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭将高分五号卫星成功送入预定轨道。此次任务中，由中心试验技术部二室主任董富治牵头研制的多个3D打印装备器件得到成功运用，标志着3D打印助力航天发射能力实现新跨越。我国快速发展的3D打印技术，将推动中国3D打印机产业化、市场化、国际化的发展进程。作为《中国制造2025》重点布局和着力发展的产业之一，3D打印产业近年来备受关注。我们作为技工院校，为落实《中国制造2025》强国战略，必须进一步推进3D打印应用专业进程，着力推进智能制造专业建设和人才培养，为国家战略贡献力量。

二、3D打印技术在数控专业教学中的作用

我们学院去年购买了十台3D打印机，这个学期在预备技师（数控专业）班，开设了为期五周的3D打印实操训练课程。Pro/E三維设计软件是近年来数控专业的重要课程之一。但由于学生接触实体机械产品机会不多，很难形成对其设计的三维产品有准确的概念，我们有了3D打印，就可以快速将设计转化成为实物，方便了后期对实物产品进行试验检测，及时发现问题并对设计进行修改。反过来，也会促进学生对Pro/E三维设计软件的学习动力，兴趣，因为产品要达到比较完美、理想，必须重视Pro/E三维设计软件的学习，要深刻领会Pro/E三维设计软件的设计内涵和技巧，巧妙地把个人想法、构思变为理想的实物。在传统的机械制造行业里，由多个零件装配的机构，必须将各个零件分别单独制造加工好，才能装配成机构。但3D打印里，可以用Pro/E三维设计软件的在计算机上分别设计零件图，然后组装成装配图，在3D打印机上一次打印成机构，极大地节约了加工时间和费用。而且，利用3D打印，在具有螺纹连接或轴孔配合的产品机构，更具产品快捷完成、外形美观的优势。甚至利用3D打印机可制造传统方法难以加工甚至无法加工的复杂构体，打破了传统制造的局限性。

三、用3D打印教学用模型、教具，培养学生的创新能力

随着3D打印技术的快速发展，其已应用于工业制造、生物医学、航空航天、教育、汽车等众多领域。在我国，3D打印也逐步在教育领域得到应用，但没有完全普及。因此如何在教学中应用3D打印技术，我们作了如下的一些尝试。

1、用3D打印《机械制图》教学模型，增强学生对学习Pro/E三维设计软件的自信心

目前，学校使用的《机械制图》课程教学模型普遍存在更新周期慢、废损率高、品种不齐、数量少，不适应改版教材、新教材，不能满足多个班级、多个教师同时上课的教学需求。利用3D打印，不仅可以快速打印《机械制图》教学模型，还可以对《机械制图》教学模型进行快速修改制作。首先教师收集资料信息，统计所需《机械制图》教学模型的品种和数量。然后，一台3D打印机作为一组（有2-3学生），并选出组长。每台3D打印机由组长负责教师所分配安排的打印任务和打好的模型管理。教师示范用Pro/E三维设计软件设计《机械制图》教学模型图形，再用3D打印机打印其模型，并对模型进行检测、检查、讲评，看是否符合要求。发现问题及时修改图形，直至合格。随后就是学生首先用Pro/E三维设计软件设计《机械制图》教学模型图形，再用3D打印机打印他们所设计的教学模型。而且教师、学生也可以一起设计、制作《机械制图》教学模型。师生共同制作教学模型，不仅能够帮助学生加深对重难点知识的理解和掌握，还可以提高学生的学习兴趣，增强学生对学习Pro/E三维设计软件的自信心。

2、用3D打印《机械基础》教学模型与机构，培养学生的创新能力

目前，具有个性化、独特性的创新型产品需要不断增加。我们技工院校，必须多渠道想方设法培养具有创新型、创业型人才。为学生毕业后， 走进“大众创业”、“万众创新”行列，自主创业打下良好基础。如何培养更多创新型、创业型人才，我们认为通过学习、实践、掌握3D打印技术，能够培养学生的创新精神、提高学生的创新能力。过去，学生用Pro/E三维设计软件的产品图形，要想成为实物几乎是不可能的，特别是一些要开模具的产品或复杂构体。现在有了3D打印机，学生用Pro/E三维设计软件的产品图形，几个小时就可以打印出来，产品的修改、试制也是极为快捷方便，只要在计算机上修改，修改好后再行打印即可。没有传统试制方法的费时、价高。与传统教育方法相比，借助于3D打印教育更具灵活性、创造性。因为3D打印本身具有个性化特点，使得学生完成物品的设计完全不会拘泥于一种形式，而是可以采用多种模式，可以不断地开拓思路，拓展思维空间，大胆地尝试。当前，学校使用的《机械基础》课程教学模型与机构也普遍存在更新周期慢、废损率高、品种不齐、数量少。随着社会的发展，高品质、个性化、互联网+时代的到来，带来了许多新技术新事物，学生是未来，新奇的3D打印技术符合学生好奇的天性，又有利于学生创造力的培养。我们选取《机械基础》课程里铰链四杆机构的“曲柄连杆”机构作为案例来教学。“曲柄连杆”机构按传统的制作方法是将分别每杆带二孔的四杆制作好，然后再将四杆件铆接起来，才能使用，而且铆接后四杆件必须能相互转动或摆动。用3D打印机能否一次打印“曲柄连杆”机构呢？按3D打印原理是可以的，因为“曲柄连杆”机构的装配图可以用Pro/E三维设计软件绘制出来。但用3D打印的话，四杆件的设计与传统的制作方法一样，但必须增加四个铆接件，绘制好四杆件和铆接件零件图后，可组装成装配图，用3D打印机一次打印装配图，即可打出“曲柄连杆”机构。要注意杆件装配的先后次序，确保“曲柄连杆”机构正常工作。通过打印“曲柄连杆”机构后，学生更加认识学习3D打印技术的重要性和必要性。在完成了教学模型打印任务之后，有些学生利用Pro/E三维设计软件，试着设计一些外形比较独特、多功能的笔架；有些学生试着想设计新颖教学用的圆规，毕竞传统的教学用圆规圆心定位、装夹粉笔都不太理想。看着跃跃欲试学生们作为我们教师感到由衷的高兴。今天的学生，就是明天3D打印的希望。

尽管目前3D打印技术还面临着能打印的材料品种少、成本高以及打印速度慢等方面的问题，但随着3D打印机成本的降低，打印新材料的开拓、打印速度的提高，相信3D打印将会逐渐走进课堂，在培养学生创新能力、提高学生动手能力、促进教学改革等方面发挥重要的作用。

参考文献：

[1]郭建才.3D打印在教学中的应用. <技术与应用>. 2016 NO （08）