在先進(jìn)制造技術(shù)課程中開(kāi)展3D打印實(shí)驗(yàn)的方法探究

【摘要】在分析先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究了先進(jìn)制造技術(shù)課程中開(kāi)展3D打印實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，提出課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)混合開(kāi)設(shè)的教學(xué)模式，探索了開(kāi)設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案。最后，實(shí)例說(shuō)明了運(yùn)用混合教學(xué)模式取得的成效。

【關(guān)鍵詞】先進(jìn)制造技術(shù)；3D打??；課堂教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引言

隨著人類(lèi)生活水平不斷提高和科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，快速響應(yīng)多品種單件小批量生產(chǎn)的市場(chǎng)需求對(duì)制造業(yè)提出了新的要求，針對(duì)此需求，先進(jìn)制造技術(shù)在企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)而對(duì)企業(yè)員工的素質(zhì)也提出了更高的要求，工程技術(shù)人員必須對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的專業(yè)知識(shí)有所了解和掌握。針對(duì)上述需求現(xiàn)狀，近年來(lái)眾多高校機(jī)械類(lèi)專業(yè)都相繼開(kāi)設(shè)了先進(jìn)制造技術(shù)課程，并將其作為必修課以滿足市場(chǎng)需求。

3D技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的一種，出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末期，該技術(shù)是集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)及能源技術(shù)。據(jù)稱，3D打印技術(shù)是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，將對(duì)社會(huì)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域帶來(lái)深刻影響。3D打印的未來(lái)發(fā)展將使大規(guī)模的個(gè)性化制作與制造成為可能，在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間[1]。

1 3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，各高校都把先進(jìn)制造技術(shù)作為工業(yè)工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程及工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)的必修課，一般開(kāi)設(shè)在第7學(xué)期，學(xué)時(shí)在32~48之間。目前，先進(jìn)制造技術(shù)本身雖已作為一門(mén)課程講授，但仍然存在如下的一些問(wèn)題[2-3]：

（1）圍繞先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多處于空缺或嚴(yán)重不足狀態(tài)，然而先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)容繁雜，各種先進(jìn)制造工藝、原理、理念涉及各學(xué)科的知識(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中理解和掌握比較困難；

（2）很多先進(jìn)制造技術(shù)，如快速成型技術(shù)、激光加工、電火花加工、超精密加工等都已在現(xiàn)實(shí)制造業(yè)中有較廣泛的應(yīng)用，而教師在教學(xué)時(shí)一般只是講解其產(chǎn)生背景、原理、應(yīng)用，沒(méi)有相關(guān)實(shí)踐或?qū)嵱?xùn)環(huán)節(jié)，這在一定程度上嚴(yán)重影響了教學(xué)效果；

（3）目前，部分學(xué)校老師基本還是采取填鴨式的教學(xué)方法，雖然大多也采用了多媒體等手段，但教學(xué)方式方法枯燥乏味且形式單一，學(xué)生只是了解到了基本概念和原理，沒(méi)有深層次的思考，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的目的。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者在個(gè)人教學(xué)體會(huì)和吸取他人相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，面向培養(yǎng)理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用兼?zhèn)湫腿瞬诺哪繕?biāo)，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行改革實(shí)踐和探討，提出理論授課和實(shí)驗(yàn)課程混合開(kāi)設(shè)的教學(xué)模式，以在先進(jìn)制造技術(shù)課程中開(kāi)展3D打印實(shí)驗(yàn)為例。

2 3D打印實(shí)驗(yàn)課程

2.1 3D打印機(jī)的工作原理及其特點(diǎn)

根據(jù)成型原理的不同，3D成型技術(shù)可以分為以下幾類(lèi)：熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、光固化成型技術(shù)（SLA）、分層實(shí)體成型技術(shù)（LOM）、選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）、三維打印成型技術(shù)（3DP）等[4]。結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求及兼顧設(shè)備的價(jià)格，學(xué)校通常會(huì)選購(gòu)熔融沉積型3D打印機(jī)。熔融沉積成型3D打印機(jī)使用真正的工程塑料，如ABS、PLA、聚乙烯、尼龍等，運(yùn)用該技術(shù)成型的零件與機(jī)械加工或者注塑模具生產(chǎn)的部件強(qiáng)度相當(dāng)，唯一不同的是表面光潔度，但這一缺點(diǎn)可通過(guò)合適的后處理來(lái)消除。

（1）熔融沉積型3D打印機(jī)的工作原理

熔融沉積成型3D打印機(jī)是將熱塑性材料在噴頭內(nèi)加熱熔化使其呈半流動(dòng)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔融狀態(tài)的材料以絲狀擠出；而后材料迅速凝固，并與周?chē)牟牧夏Y(jié)。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)下一層的沉積，直至完成整個(gè)零件[5]。

（2）熔融沉積型3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

熔融沉積成型3D打印技術(shù)之所以能被廣泛應(yīng)用并得到迅速發(fā)展，因其具有以下特點(diǎn)：（1）打印材料廣泛。一般的熱塑性材料如塑料、蠟、低熔點(diǎn)金屬等都可應(yīng)用于該技術(shù)。（2）打印精度高。該技術(shù)的最高精度已達(dá)0.05mm，使用標(biāo)準(zhǔn)零件測(cè)得的平均變形僅為0.37%。（3）打印零件具有優(yōu)良的綜合性能。經(jīng)檢測(cè)，使用ABS、PLA等常用工程塑料成型的零件，其力學(xué)性能可達(dá)到注塑模具零件的60~80%。（4）該種打印機(jī)簡(jiǎn)單、低廉、可靠性高。由于該種技術(shù)中不使用激光器及其電源，很大程度上簡(jiǎn)化了設(shè)備，使機(jī)身尺寸大幅減小，且成本降低。（5）打印過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染。在打印過(guò)程中所使用的材料一般為無(wú)毒、無(wú)味的熱塑性材料，因此對(duì)周?chē)h(huán)境不會(huì)造成污染，并且在運(yùn)行過(guò)程中噪聲很低，非常適用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.2 3D打印實(shí)驗(yàn)室配置及課程要求

本文提出理論授課和實(shí)驗(yàn)課程混合開(kāi)設(shè)，其目的是使學(xué)生深入地理解3D打印技術(shù)的基本原理，認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)的工藝流程以及掌握3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和基本操作，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)效果。

3D打印教學(xué)實(shí)驗(yàn)室需要一臺(tái)教學(xué)用3D打印機(jī)和若干臺(tái)學(xué)生用3D打印機(jī)，以及與之配套的PC機(jī)若干臺(tái)。本校采購(gòu)了若干臺(tái)MakerBot Replicator 2熔融沉積型3D打印機(jī)，Replicator2采用的是MakerBot PLA耗材（多種顏色可選），這種新型生物塑料可以更牢靠的粘在打印平臺(tái)上，降低脫落，翹曲，滑動(dòng)和收縮問(wèn)題。

通過(guò)3D實(shí)驗(yàn)學(xué)生應(yīng)該獲得以下具體的知識(shí)和技能：

（1）以熔融沉積型3D打印機(jī)為例，理解3D打印技術(shù)的基本原理；

（2）熟悉熔融沉積型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)；

（3）掌握3D打印機(jī)控制軟件MakerWare的基本操作及功能；

（4）掌握3D打印機(jī)的模型制作過(guò)程，基本操作以及操作注意事項(xiàng)；

（5）了解3D打印技術(shù)的成型工藝；

（6）能做簡(jiǎn)單的工藝參數(shù)優(yōu)化研究。

3 3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例分析

綜合先進(jìn)制造技術(shù)及3D打印實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)開(kāi)設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)課程有以下心得體會(huì)：

（1）3D打印實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的動(dòng)手能力及協(xié)作力。3D打印需要學(xué)生實(shí)踐操作，從設(shè)計(jì)到打印，都需要他們共同協(xié)作完成，這將促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和觀察能力的發(fā)展，同時(shí)提高學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

（2）3D打印實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。3D打印大幅激發(fā)了學(xué)生DIY的興趣，通過(guò)3D打印機(jī)，學(xué)生將腦海中的模型轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的物體，將抽象概念和設(shè)計(jì)帶入現(xiàn)實(shí)世界，使學(xué)習(xí)更加生動(dòng)。

（3）3D打印實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。3D打印開(kāi)發(fā)了學(xué)生的想象力，將他們的創(chuàng)造變成實(shí)物，這是推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極意義。

4 總結(jié)

本文依據(jù)筆者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題，闡明了在先進(jìn)制造技術(shù)課程中開(kāi)設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)的可行性，并探討了實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)室配置要求。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積

極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力。我們將繼續(xù)探索，使先進(jìn)制造技術(shù)這門(mén)課程內(nèi)容更加趨于完善，教學(xué)效果更上一層樓，并使3D打印技術(shù)得到推廣應(yīng)用，為學(xué)校教學(xué)和企業(yè)生產(chǎn)起到積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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