基于3D打印的模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系的改革與實(shí)踐

張曉華+劉曉晶

摘 要：3D打印是一種不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的新型技術(shù)，文章基于現(xiàn)有模具專(zhuān)業(yè)的教學(xué)體系，探討了3D打印技術(shù)與現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)課程的有機(jī)結(jié)合，分析了這種改進(jìn)后的教學(xué)體系對(duì)學(xué)生教學(xué)效果的改善和提高。

關(guān)鍵詞：3D打印；增材制造；模具；教學(xué)體系

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2017）02-0023-02

目前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要任務(wù)，尤其是東北地區(qū)，工業(yè)相對(duì)落后，發(fā)展和培育適應(yīng)新時(shí)代的工業(yè)體系顯得尤為重要。而為這種經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變和工業(yè)升級(jí)培養(yǎng)出合格的人才，是擺在高等院校人才培養(yǎng)方面的日益緊迫的任務(wù)[1]。隨著社會(huì)不斷向前發(fā)展，一些新的專(zhuān)業(yè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如何將這些新的技術(shù)和現(xiàn)有高校的專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系融合并協(xié)同發(fā)展，是高校能否培養(yǎng)出不斷與時(shí)俱進(jìn)的高專(zhuān)業(yè)素質(zhì)人才的關(guān)鍵。

一、3D打印技術(shù)與模具專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有教學(xué)體系

（一）3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是近三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型加工技術(shù)，具有不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的鮮明的特色及優(yōu)勢(shì)。其一般過(guò)程為，首先采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將模型分成一定厚度的切片，然后控制打印機(jī)器，將粉末、絲材或者液體材料等通過(guò)一定的方法一層層疊加成形，做出性能和形狀各異的零部件[2]。經(jīng)歷三十年的發(fā)展，3D打印已經(jīng)發(fā)展為SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié)），SLM（Selective Laser Melting，選擇性激光熔化），LOM（Laminated Object Manufacturing，分層實(shí)體制造），F(xiàn)DM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積法），SLA （Stereolithography，立體光刻技術(shù)）等多種加工方式，這些方法分別適用于不同的材料和工藝。

（二）模具專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有教學(xué)體系

現(xiàn)有的模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系，受限于一些客觀條件，

往往理論教學(xué)多，實(shí)踐教學(xué)少。有觀點(diǎn)認(rèn)為，學(xué)習(xí)知識(shí)不應(yīng)該和活動(dòng)情境分離而獨(dú)立、抽象存在，而應(yīng)該在相應(yīng)的情境中學(xué)，多與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來(lái)[3]。尤其是模具專(zhuān)業(yè)，實(shí)踐性很強(qiáng)，很多知識(shí)需要學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知學(xué)習(xí)，為適應(yīng)這種需求，現(xiàn)有教學(xué)體系安排了很多實(shí)踐環(huán)節(jié)，

比如認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、模具設(shè)計(jì)課程訓(xùn)練等等，并具體分布到大學(xué)四個(gè)學(xué)年的學(xué)習(xí)過(guò)程中。但作為專(zhuān)業(yè)課教師，我們認(rèn)識(shí)到這種實(shí)習(xí)也僅僅是在某一個(gè)階段，在理論學(xué)習(xí)完之后進(jìn)行的再認(rèn)識(shí)和再提高，理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)沒(méi)有完整地融合在一起，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中面臨較大的困難，學(xué)習(xí)研究效果大打折扣。

（三）3D打印為現(xiàn)有教學(xué)體系帶來(lái)革新

3D打印技術(shù)的發(fā)展，為模具專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)，提供了一個(gè)很好的契機(jī)。3D打印技術(shù)快速拉近了理論學(xué)習(xí)和實(shí)際過(guò)程之間的距離，可以及時(shí)將頭腦中虛擬的物品轉(zhuǎn)化為真實(shí)物品，使學(xué)生具有一定的獲得感，提升學(xué)習(xí)興趣，避免了學(xué)習(xí)過(guò)程中理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)之間的誤差，

促進(jìn)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的感性認(rèn)知和整體認(rèn)識(shí)。有心理學(xué)家認(rèn)為，學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)是學(xué)生進(jìn)行想象和創(chuàng)造的基礎(chǔ)，學(xué)生想象能力的培養(yǎng)和立體圖像的建構(gòu)則需要學(xué)生觀看更多的立體結(jié)構(gòu)，研究立體結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。3D打印技術(shù)則適應(yīng)這一需求，教師不僅可以在課堂教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生提供豐富的立體模型，更可以引導(dǎo)學(xué)生觀察立體模型從無(wú)到有，一步步建構(gòu)的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念，取得更好的學(xué)習(xí)效果。

二、3D打印與現(xiàn)有教學(xué)體系的結(jié)合

隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，在高等院校專(zhuān)業(yè)技

術(shù)人才的培養(yǎng)中，適時(shí)地引入相關(guān)技術(shù)，并和現(xiàn)有教學(xué)體系緊密融合，將會(huì)很大程度上改善現(xiàn)有教學(xué)體系，提

高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。哈爾濱理工大學(xué)模具專(zhuān)業(yè)在3D打印與現(xiàn)有教學(xué)體系融合的過(guò)程中，慢慢摸索出了一條自己的路徑。

（一）機(jī)械制圖

機(jī)械制圖課程對(duì)空間的想象能力具有很高的要求，但學(xué)生剛剛進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)，空間想象能力缺乏持續(xù)有效的鍛煉，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程中遇到很大的困難。比如兩個(gè)不同直徑圓柱的相貫線，很多學(xué)生就不能想象出來(lái)，更談不上從不同的視角去繪制。面對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，現(xiàn)在通常的教學(xué)方法是采用模型，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生從不同角度觀察，進(jìn)而繪制，但其效果并不太理想，兩個(gè)模型的相貫線在兩個(gè)模型確定的時(shí)候已經(jīng)確定，還是有部分學(xué)生不能深入理解相貫線的形成。3D打印技術(shù)中的FDM工藝，在將兩個(gè)不同物體同時(shí)打印出來(lái)時(shí)，物體的相貫線也隨著物體成形的過(guò)程，一點(diǎn)點(diǎn)將形成過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，直接觀察到這種相貫線的形成過(guò)程，不僅有利于其空間想象能力的建構(gòu)，更有利于理解相貫線的形成過(guò)程，讓學(xué)生知所然，也知所以然。

（二）模具CAD

模具CAD是模具專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課。學(xué)生在模具CAD課程學(xué)習(xí)中，反映裝配關(guān)系復(fù)雜、虛線實(shí)線不易區(qū)分，其本質(zhì)還是空間想象能力不夠，當(dāng)然也反映出對(duì)模具工作過(guò)程不熟悉。在此情況下，可以采用兩方面的措施，其一是采用三維造型軟件，比如Pro/E或者UG等，與auto CAD二維軟件的結(jié)合使用，提高學(xué)生對(duì)立體造型的感知能力，當(dāng)然這種措施也增加了課時(shí)；其二可以采用3D打印FDM技術(shù)，在授課的同時(shí)，將模具中的某個(gè)零件打印出來(lái)，或者采用SLA技術(shù)，將整個(gè)模具模型同時(shí)打印，給學(xué)生以直觀的體驗(yàn)和整體認(rèn)識(shí)。

（三）模具設(shè)計(jì)課程訓(xùn)練

模具設(shè)計(jì)課程訓(xùn)練是模具專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完相關(guān)專(zhuān)業(yè)課后，進(jìn)行的一個(gè)非常重要以提高學(xué)生綜合能力為目的的訓(xùn)練課程，時(shí)間一般持續(xù)為3周。現(xiàn)在一般的做法是，學(xué)生采用手工繪圖，包括裝配圖和零件圖，并寫(xiě)出計(jì)算說(shuō)明書(shū)，經(jīng)教師評(píng)審答辯后給出成績(jī)。整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生并沒(méi)有將自己所設(shè)計(jì)的模具變成實(shí)物，對(duì)自己所設(shè)計(jì)的模具能否正常工作沒(méi)有明確認(rèn)識(shí)。導(dǎo)師在指導(dǎo)過(guò)程中，也不可能對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的尺寸、裝配，工藝，精度等方方面面的錯(cuò)誤一一指出，學(xué)生訓(xùn)練效果就打了折扣。3D打印技術(shù)，可以允許以較低的材料成本，在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，將每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)修改后的模具，打印出模型。學(xué)生自己就可以通過(guò)該模型，檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)模具能否正常工作，尺寸是否有偏差，裝配關(guān)系是否正確等等各種問(wèn)題，及時(shí)糾正自己的錯(cuò)誤，提高效率，學(xué)習(xí)效果也得到大幅度提升。

三、3D打印對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系的擴(kuò)展

3D打印與現(xiàn)有教學(xué)體系的融合，不僅僅在于對(duì)現(xiàn)

有教學(xué)內(nèi)容的深刻理解，更在于在現(xiàn)有基礎(chǔ)上的，教學(xué) 內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展和增加，培養(yǎng)基于3D打印思想的設(shè)計(jì)理念，正如盧秉恒院士在2015年8月份向國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人

匯報(bào)3D打印技術(shù)進(jìn)展時(shí)所提到的，要加大培養(yǎng)具有

“3D打印思維”的人才，才能進(jìn)一步提高專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的能力和素質(zhì)，更好發(fā)揮3D打印在整個(gè)工業(yè)體系中的作用等。

（一）基于3D打印的設(shè)計(jì)思維人才的培養(yǎng)

3D打印思維，是指針對(duì)3D打印加工特點(diǎn)的產(chǎn)品以及零部件結(jié)構(gòu)、功能和工藝等的設(shè)計(jì)方法和思路，是一種不同于面向傳統(tǒng)加工方法的設(shè)計(jì)思維。傳統(tǒng)加工方式采用減材制造，一次只能加工一個(gè)零件，需要充分考慮后繼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝能力，在“功能—結(jié)構(gòu)—工藝”的鏈條中，后者對(duì)前者具有較強(qiáng)的制約作用。3D打印技術(shù)完全突破了這種束縛，在一定程度上，使得產(chǎn)品或者部件的功能設(shè)計(jì)隨心所欲，而不必?fù)?dān)心后繼的結(jié)構(gòu)和工藝限制。

但現(xiàn)有教學(xué)體系中，主要還是以傳授面向傳統(tǒng)減材制造的思維方式為主，體現(xiàn)的都是功能、結(jié)構(gòu)和工藝的相互制約關(guān)系。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，在工業(yè)體系中應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，培養(yǎng)具有3D打印思維的設(shè)計(jì)人才，是必然的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)這種需求，在現(xiàn)有教學(xué)體系中，必然要求增加能夠體現(xiàn)3D打印思維的相關(guān)課程，將這種自由、快速的制造方式與空間、結(jié)構(gòu)和功能上的想象力以及專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)加工方法無(wú)法完成的新式產(chǎn)品和零部件，依托加工方式上的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和零部件功能上與結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

（二）新增3D打印相關(guān)課程

3D打印新增設(shè)課程，根據(jù)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有體系的具體情況，可以增加2—4門(mén)。其一為整體介紹3D打印技術(shù)的課程，內(nèi)容可以包含SLS、SLM、FDM、SLA、LOM、3DP等

不同研究方向的工藝特點(diǎn)，使用材料，使用范圍，影響因素等等；其二可以針對(duì)某一種具體方向，比如FDM或者SLM，結(jié)合相關(guān)機(jī)器和設(shè)備，深入介紹該工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)，工作原理，工藝參數(shù)，材料性能，制件檢測(cè)等相關(guān)知識(shí)；其三可以開(kāi)設(shè)體現(xiàn)整個(gè)3D打印工作流程的課程，比如逆向工程設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹從掃描技術(shù)、數(shù)據(jù)修復(fù)和處理、3D打印以及后繼熱等靜壓、表面處理的相關(guān)技術(shù)，給予學(xué)生熟悉整個(gè)工作流程，樹(shù)立逆向思維的設(shè)計(jì)理念；其四，還可以組織學(xué)生就整個(gè)流程中感興趣的內(nèi)容，進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。3D打印技術(shù)相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)，是對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容體系有益、必要的補(bǔ)充，對(duì)完善學(xué)生知識(shí)架構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的深入理解和思考，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維，均具有重要意義。

3D打印作為一種最近三十年發(fā)展起來(lái)的新式技術(shù)，盡管顯示出了眾多的優(yōu)勢(shì)，但面臨的困難還很多，尤其在與現(xiàn)有課程的結(jié)合以及增設(shè)相關(guān)課程培養(yǎng)學(xué)生新式思維方面，需要繼續(xù)在發(fā)展過(guò)程中，根據(jù)專(zhuān)業(yè)需求，慢慢深入進(jìn)一步摸索融合方式。但可以肯定地說(shuō)，3D打印融入現(xiàn)有教學(xué)體系，是必然的發(fā)展趨勢(shì)，也必然會(huì)對(duì)學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)的學(xué)習(xí)，以及新知識(shí)、新思維的擴(kuò)展起到積極有益的作用。

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