3D打印技术在机械原理课程教学中的应用

毛玮 蒋洪奎

摘要：3D打印技术是快速成型技术的一种，结合当下较为热门的三维软件建模，它可以方便地制造出各种所需要的模型。在机械原理课程中，动手与实践是提高学生学习热情并加深对知识的理解与应用的一种有效方法，而3D打印的实践正好可以成为机械原理课程教学的实用工具。

关键词：3D打印技术;Solidworks;机械原理;创新

机械原理是机械类专业中一门重要的专业基础课程。当前，在机械原理的课程教学中普遍存在着教具单一、实验实践性不强等问题。3D（3 Dimensions）打印技术是一种快速成型技术，若将3D打印技术运用在机械原理课堂上，结合Auto CAD、Solidworks等主流工业软件对所需的实验器材进行设计并构建数字模型，通过3D打印机加工出来。从“无”到“有”的全过程，可以激发学生对机械原理课程学习的兴趣，并可以更好地理解和掌握课程内容。

1.3D打印技术在课程教学中的应用

3D打印其本质是快速成型技术，它是一种以数字模型为基础，运用固体、液体塑料或金属等可黏合材料，通过熔融沉积成型的方式来建造实物。3D打印加工技术跟传统的制造方法有很大的不同，它可以在不需要磨具或切削加工的情况而采用分层制造和逐层叠加的方法去实现产品的生产。自从有了该技术，使用者只需要利用CAD设计软件设计出产品的3D模型，而以前的數控制造必须要在有材料的基础下才可以加工，得到需要的零部件，再经过拼装和焊接等环节才能得到成品。3D打印技术与它相比可以简化这个过程，可以不需要模具和原胚，只利用计算机软件制作出来的图形数据，对产品的加工程序进行了优化，同时还减少了制造花费的时间，对生产效率有了很大地提高。

3D打印技术应用在机械原理课堂下将会有以下优势：

1.1充分利用软件技术

随着计算机的普及，软件技术在当下发展迅速，3D打印技术也离不开软件技术，利用当下较为热门的软件，如Solidworks，Auto CAD等CAD软件可以有效地帮助我们实现二维分析、三维建模等功能。

1.2制作直观的教学用具

目前，教师在使用语言和图片讲述教学内容时，使用的教具多为机械原理教学展柜，该教具内容单一，学生只能通过观察的方式去理解各类机构，并不能有效地理解教师所讲授的知识点。而学习机械原理课程的目的就是在理解的基础上对各类机构进行设计计算，此类教具无法帮助学生应用与设计。例如，凸轮机构的设计，学生只能通过教具理解机构的运作方式，并不能有效地学会凸轮机构的设计。现在通过3D打印，让同学自己通过三维软件自己设计出凸轮，再通过3D打印呈现出来，即新颖又直观，弥补以前课程看不懂、听不明白的劣势。

2.3D打印技术在机械原理课程教学中的应用方法

本文利用“反转法”对盘形凸轮进行教学设计。

凸轮机构的基本任务就是根据工作要选定合适的凸轮机构，按照选定的推杆运动规律设计出凸轮的轮廓曲线。

已知设计的凸轮为对心直动尖顶推杆盘形凸轮，基圆半径为40mm，凸轮按顺时针方向转动，从动杆的位移规律为：

抛开传统的课程教学中用尺规作图，现将3D打印技术运用到课程教学中，具体如下：

2.1画出凸轮的传动行程图

以横坐标为凸轮转角6，纵坐标为从动杆的位移距离s，利用Auto CAD作出传动杆的行程图，如图1所示。

2.2绘制凸轮轮廓曲线

根据凸轮的转角于传动杆的位移距离关系图，利用AutoCAD进行凸轮机构轮廓曲线绘制，先绘制出凸轮基圆，截取每个等分点的长度旋转其相对应的转角，用直线将等加速转角内的每一个点依次连接，再利用PODIT指令将直线拟合成曲线，这就是等加速角的轮廓曲线，而休止角处的轮廓曲线为一段等曲率的圆弧，如图2所示。

2.3绘制凸轮三维模型及打印

将凸轮的轮廓提取出来，另存为通用度较高的DXF格式Auto CAD图形交换文件。再将DXF文件在Solidworks内导入，在Solidworks中导入的凸轮的轮廓曲线将以草图的形式进行储存，再通过拉伸草图生成凸轮的三维模型，如图3所示。在Solidworks内另存为STL二进制文件，将STL二进制文件导入3D打印软件中设置打印参数后生成GSD文件进行3D打印。再利用数据线或USB设备将GSD文件传输给3D打印机打印出模型，再将从动件，机架等零部件利用Solidworks与Auto CAD进行配合设计，设计完后也进行3D打印，零部件全部打印完毕后进行装配（不同厂家的3D打印机所使用的3D打印软件可能有所不同，操作方法也可能略微的差距）。国内市场上所出售的3D打印机精度均可达到0.05mm，可以满足极限偏差中精密级的加工精度要求。

3D打印技术还可以应用在齿轮设计、四杆机构设计、以及其他常用机构设计等方面。在课程教学中应用3D打印技术，既可以脱离传统教具的限制，节省成本，又可以让学生真正地掌握机械原理的核心内容。

3.3D打印技术在机械原理课程教学中的应用意义

将3D打印技术应用在机械原理课程教学中，让学生在设计的过程中应用CAD技术，通过自己动手绘制凸轮的轮廓曲线，将繁琐的理论知识通过实践的方式呈现出来，这样增加了学生的学习乐趣，也提高了学生对机械原理理论知识的掌握。通过结合不同软件的特点，使用不同的软件合作的方式进行设计，即提高了对三维软件的使用能力，又强化了学生解决实际问题的能力。从实践效果来看，将3D打印技术应用在机械原理课程教学中，主要有以下有点：

3.1实现了理论课程的可视化教学

传统的教学中，往往是教师通过尺规在黑板上作图或是在多媒体的投影上进行演示，将书本的理论知识生硬地搬到课堂上，参数与数据只能通过繁琐的计算得出，学生跟着老师的思路进行，很难留有独立的空间独立思考，而课堂上运用了3D打印技术，将设计的凸轮打印出来，让学生去实测凸轮的真实工作状态，这样实现了教学的可视化。

3.2体现了做中学的工程教学理念

按照传统的教学模式，学生若想理解凸轮轮廓的设计，需要在课后花较多时间进行练习，而且知识点容易遗忘，教学效果不明显，而实际上普通高校能课后主动去练习的学生所占比例并不多。而让学生通过CAD软件，在课堂上自己跟着教师进行凸轮轮廓曲线的设计，再通过三维建模与3D打印做出模型观察数据，通过动手实践的方式将所学的知识趁热消化，在课堂上教会学生如何有效地去设计，避免了学生实践经验不足的缺陷。

3.3培养了学生的综合工程素质

在整个教学的过程中，通过开放课堂的形式，让学生以小组合作的方式进行设计试验。从位移分析到行程计算，从凸轮轮廓曲线的绘制到三维模型的建模，最后进行3D打印以及记录实验数据，整个过程都是工程项目的方式开展，这样对学生的工程能力和综合素质的提高都大有裨益。当然，在机械原理课程教学中应用3D打印技术应用，也有不足之处，例如，该课程设计不适合于大班化教育，开放性的课堂不易于学生专注于学习以及课堂的管理，对学生软件基础的要求较高等。

4总结

通过3D打印技术在机械原理课程教学中的实现，能让学生自己动手在CAD软件对机构进行可视化设计实践，再将三维模型同过3D打印制造成实物进行实验，增加了学生在课堂上的互动，动手实践后可以感受新技术的同时掌握繁琐的理论知识。