3D打印技术在机械教学中的应用探讨

□李会玲 雷 芳

3D打印技术是基于材料堆积原理的快速成型过程，先通过计算机建模，再将建成的三维模型分区成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。3D打印因为能打印复杂的、传统方法制造流程繁琐的产品和成型速度快等优点，在个性化定制、创客等方面得到快速发展[1～2]。当前，快速成型设备类型很多，包括立体光刻成型、熔融堆积成型、分层实体加工、选择性激光烧结等。其中熔融沉积成型技术(FDM)是将热塑性材料热熔后挤出堆积成型，应用较为广泛。针对机械制造与自动化专业人才培养方案需求，本文对3D打印技术在机械教学中的应用展开了探讨。

一、3D打印创新实验室建设

3D打印创新实验室以机械专业人才培养为宗旨，与专业课程相结合，为教师和学生提供创客空间。3D打印创新实验室可以满足学生完成产品的设计、打印和后期处理等，使产品有一定的功能和作用。这个学习过程以学生为中心，教师为主导，通过教学实践活动培养学生的思考能力、动手能力和分析解决问题能力。思考能力是一切学习的基础能力，动手能力是将已学知识转化为实践，解决问题是培养学生职业技能的有效方式[3]。

根据教学需要，建设了3D打印创新实训室，实训室面积约为100m2，配备55台电脑，能满足一个教学班，共购置20台教学用3D打印机，其中有5台并联臂3D打印机，购置2套三维扫描仪，用于逆向采集数据用。按照3D打印的工作内容，将场地分为以下区域：逆向三维数据采集区、三维模型建模区、3D打印区、成品处理区和作品展览区。学生利用三维扫描仪扫描产品，得到数据，然后在三维模型建模区用UG、PROE等软件做出产品模型，或直接在三维模型区做出产品模型，接下来用Cura软件完成切片处理得到数据，输入3D打印机，完成打印，打印完成后在成品处理区去毛刺、喷涂等，根据产品的功能需求完成。

二、3D打印机械机构

传统教学对《机械设计》课程中的知识点“曲柄导杆机构”，一般是通过课本讲解、画二维平面图和看视频的方式来学习。有了3D打印创新实验室后，对此课程进行了教学改革，教学过程中对学生进行分组，按照提出任务、分析原理、边学边做、创新设计的步骤开展。首先由教师提出任务，学生分组对任务进行分析讨论，根据讨论结果绘制草图，然后完成三维模型和打印，接下来进行组装，最后进行评价和检验，对于不合理的机构学生需重复任务分析，直至建立的机构合理可用，对于能有创新完成的机构则有加分，鼓励学生的创新。如图1所示，为学生完成的曲柄导杆机构。通过这种教学方式，学生以小组为单位，在教师的指导下分析讨论机械原理，通过做中学，学中做，合作完成机构的设计、打印和装配，得到一套完整的机构，在实践的过程中，完成了认知知识和理解知识，为应用知识打下良好的基础。这种学习方式收获的学习效果是牢固的，不容易被遗忘，在后续的相关课程和应用中也体现了这一点。

图1 曲柄导杆机构

三、3D打印完成产品设计

塑胶产品一般是经模具批量生产得到，塑胶产品设计时必须考虑塑料零件的结构工艺性，以保证顺利成型。比如塑料零件的结构设计中对壁厚、斜度、加强筋、支承面、圆角、孔等的设计要求，在保证产品功能的前提下，壁厚要均匀，减少应力集中，塑件的内外表面应尽量避免侧孔、侧凹或与零件脱模方向垂直的孔，相应的模具也简单；薄壳状零件在适当的位置设加强筋增加零件的强度和刚度，防止变形。验证产品的结构设计是否合理，是一个教学难点，通过3D打印快速制造出产品，可以直观地看出壁厚、孔和加强筋等设置是否合理，可以验证产品结构是否合理[4]。

借助3D打印，在产品设计的课程上，教师布置任务是设计并制造一辆有动力的车，首先让学生按自己的创意及想法设计车的外形和结构，并手工绘制外形草图，然后通过3D造型软件进行数字建模，再用3D打印机打印出来，打印出来后去毛刺、装配，然后装上电路板和电池，实现电动控制，可以通过遥控控制前进，如图2所示。由于有了实体模型，学生很容易根据产品造型分析其结构工艺性是否合理，车身结构是否能满足需要。同时，在设计和制造的过程中，学生是活动的主体，在任务的驱动下积极完成车的造型和加工，能发现车结构工艺性是否合理，并能将所学产品设计、电工基础等课程中知识点应用上，做到了综合应用所学知识，做出造型美观、结构合理的车，完成了教学目标，培养了学生分析问题、解决问题的能力。

图2 卡丁车

四、3D打印培养学生参加创新竞赛

3D打印创新实训室提供了将设计、创意变成产品的一个空间。为了鼓励更多的学生走进实验室，参与3D打印的创作，每周定3次时间对学生开放，学生经预约进场，有专业教师在场提供技术指导。在这种宽松的管理模式下，为学生提供了创新创作的场所，学生以团队为单位在这样一个环境中将设计变成有一定功能的产品，完成了从理论到实践的转化，完成了从学习到创作的升华。经过这一年的实践，有更多的学生受益，学生自主设计并打印出来的无动力小车，造型美观、无外动力条件下能滑行数米，如图3所示，在市大学生科技创新节无动力环保小车设计与制作竞赛决赛中获得三个二等奖和两个三等奖；学生设计的“家居宝”空气检测仪，外观流线型设计造型美观，内部有五个区域用来放电路板检测空气，在广东职业院校创新创效创业大赛中获得三等奖。

图3 无动力小车 图4 空气检测仪

五、3D打印在机械专业中的应用展望

结合机械专业人才培养目标，3D打印培养了学生的动手能力和实践能力，将抽象的、难以理解和掌握的知识转化为具体的、能动起来的、容易理解的实物，能很好地激发学生的兴趣，提高学习效果，值得大力发展和推进。今后，在平时的教学中，在掌握基础知识的基础上，还需要更多地鼓励学生创新，培养创新意识，做出有更多意义的作品，完成知识的升华。教师要善于设计一些有代表性、有趣味性、有创意的载体作为学习任务，发挥3D打印的优势，突破教学重点和难点，培养学生的创新意识，让3D打印更好地为教学服务。