機(jī)械類專業(yè)開設(shè)3D打印課程的教學(xué)與實(shí)踐

朱政紅， 任汪洋， 徐東鎮(zhèn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,合肥 230009)

機(jī)械類專業(yè)開設(shè)3D打印課程的教學(xué)與實(shí)踐

朱政紅， 任汪洋， 徐東鎮(zhèn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,合肥 230009)

在分析當(dāng)前機(jī)械類專業(yè)教學(xué)活動中開設(shè)3D打印課程可行性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了課程理論知識學(xué)習(xí)、設(shè)備設(shè)計(jì)制作、模型打印等教學(xué)實(shí)踐的開展和3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用效果。教學(xué)實(shí)踐表明，3D打印應(yīng)用效果顯著，有助于幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識與技能，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；目前的教學(xué)實(shí)踐為進(jìn)一步探索3D打印在教學(xué)中的深入應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3D打??；教學(xué)活動；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)應(yīng)用

一、引 言

3D打印技術(shù)是快速成型(Rapid Prototyping，RP)技術(shù)中的一種，又稱增材制造(Additive Manufacturing,AM)，它以CAD幾何模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用陶瓷粉末、金屬粉末、液體或塑料等可黏結(jié)材料，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，采用逐層堆積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。近些年來，3D打印在全球不斷升溫，并且廣泛地應(yīng)用到工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑與城市規(guī)劃、軍事武器、航空航天以及教育等各個領(lǐng)域?！督?jīng)濟(jì)學(xué)人》《紐約時(shí)報(bào)》稱3D打印將成為全球第三次工業(yè)革命的導(dǎo)火索。

3D打印這種數(shù)字化模型制造與傳統(tǒng)的機(jī)械制造相比，大大降低了制造難度。它不僅簡化了工藝裝備(無需刀具、模具，工裝與夾具大幅度減少)，大大提高材料使用率，提高制造柔性化，更能制造出傳統(tǒng)加工方法難以制造甚至無法制造的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于可以生成任意復(fù)雜的產(chǎn)品形狀，因此在零部件的設(shè)計(jì)上可以采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而無需考慮加工問題，解決了復(fù)雜精細(xì)零部件的設(shè)計(jì)和制造難題[1]。良好的技術(shù)優(yōu)勢和日益成熟的成型工藝，使得各制造大國競相發(fā)展，并把3D打印技術(shù)普及到基礎(chǔ)教育中去。英國、美國、荷蘭等國家的教育工作者陸續(xù)地探索3D打印的教學(xué)應(yīng)用以推動教育創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)與技能來面對未來的挑戰(zhàn)。3D打印作為近幾年興起的先進(jìn)制造技術(shù)之一，將其引進(jìn)校園是現(xiàn)代高等教育教學(xué)改革發(fā)展的一個新趨勢[2]。

二、3D打印技術(shù)引入教學(xué)的可行性

當(dāng)前傳統(tǒng)的機(jī)械類專業(yè)教學(xué)仍以理論教學(xué)為主，由于設(shè)備臺套數(shù)、設(shè)備更新的周期性等種種因素，學(xué)生動手實(shí)踐的教學(xué)活動無法深入展開，甚至一些實(shí)踐活動無法實(shí)施，影響了教學(xué)效果。具體原因大致如下：第一，教材出版有一定應(yīng)用時(shí)間周期，而許多先進(jìn)制造技術(shù)卻更迭加速，教材難以及時(shí)更新，學(xué)生無法及時(shí)獲得最新知識。第二，受教學(xué)條件的限制，實(shí)踐教學(xué)設(shè)備通常難以保證規(guī)范的數(shù)量。學(xué)生看的多，動手的少，工程實(shí)踐活動無法惠及每個學(xué)生。第三，機(jī)械類專業(yè)不同課程之間聯(lián)系緊密，存在知識交叉，但具體教學(xué)內(nèi)容卻缺少不同課程間的知識融合，學(xué)生難以融會貫通，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中力不從心。

桌面級3D打印機(jī)具有體型小巧、工藝簡單、成本低廉、安全環(huán)保、能快速成型等優(yōu)點(diǎn)，能夠很快實(shí)現(xiàn)機(jī)械模型打印以及創(chuàng)新制作模型打印，變抽象為具體，有利于輔助課程教學(xué)；其也是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要包括高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等，引入教學(xué)用于舉一反三，可以拓展學(xué)生思維，進(jìn)行創(chuàng)新性產(chǎn)品開發(fā)；此外，3D打印技術(shù)還涉及新型打印材料的開發(fā)、不同設(shè)備不同材料打印工藝的研究等眾多方面[4]，可以培養(yǎng)學(xué)生分析研究問題的能力。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可使學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識交叉，并深入了解利用高科技手段進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的概念[5]。

三、3D打印技術(shù)在教學(xué)中的實(shí)踐

本著以學(xué)生能力達(dá)成為主導(dǎo)，自主學(xué)習(xí)為準(zhǔn)則，項(xiàng)目驅(qū)動為教學(xué)模式，我們開設(shè)了24學(xué)時(shí)的《3D制造技術(shù)綜合實(shí)踐》全校公選課。課程圍繞多種結(jié)構(gòu)類型的桌面級3D打印機(jī)展開，如Makerbot型、Kossel型、Prusa i3型。學(xué)生從自主基礎(chǔ)知識獲取、方案制定、零部件以及PCB板等的設(shè)計(jì)與選擇，到實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的搭建與調(diào)試運(yùn)行，最終完成課程學(xué)習(xí)。教學(xué)始終以團(tuán)隊(duì)模式進(jìn)行項(xiàng)目制作，以期拓展學(xué)生機(jī)械、機(jī)電、控制技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)與機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念等知識，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)、動手實(shí)踐、交流表達(dá)、經(jīng)濟(jì)核算和可持續(xù)制造思維等能力。課程以課堂討論為主，配以樣機(jī)演示、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐操作指導(dǎo)以及課內(nèi)外交流討論等，引導(dǎo)學(xué)生探求解決復(fù)雜工程問題的決策方法。

1.課程主要內(nèi)容與具體要求

實(shí)踐教學(xué)中，有目的地引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)是本課程的特色。課程一改傳統(tǒng)的以教師為主的授課模式，通過提供參考資料和實(shí)體樣機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入自主學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓學(xué)生掌握一定的3D打印知識，保證教學(xué)的順利進(jìn)行。

(1) 資料查閱與基礎(chǔ)知識獲取 教學(xué)的重點(diǎn)在于如何引導(dǎo)學(xué)生獲取資料并提煉所需知識。即我們給學(xué)生布置課外任務(wù)，要求學(xué)生以產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造為主線查閱資料并進(jìn)行整合，輔助以圖片、視頻和組織討論等形式對各種類型的3D打印技術(shù)進(jìn)行講解。引導(dǎo)學(xué)生思考如何合理地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、怎樣發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢及拓展應(yīng)用、這些技術(shù)需要在哪些方面有所突破、如何突破以及突破后的技術(shù)應(yīng)用在哪些方面、如何應(yīng)用才能推動制造業(yè)的發(fā)展等問題。此外，我們還要求學(xué)生提出質(zhì)疑，以培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)的意識，為后續(xù)實(shí)踐營造氛圍。

(2) 樣機(jī)拆裝與方案制定 我們在實(shí)驗(yàn)室配備了一款Makerbot桌面級熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印機(jī)供學(xué)生操作使用。學(xué)生可以直觀地了解3D打印機(jī)的工作機(jī)理、打印過程以及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。課程提供了若干簡易型3D打印機(jī)供學(xué)生拆裝，為學(xué)生的自行設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

在具體教學(xué)過程中，首先要求學(xué)生以團(tuán)組為單位討論機(jī)身方案，并要求反復(fù)推敲，制定總體設(shè)計(jì)方案；其次，要求學(xué)生查閱目前桌面級3D打印機(jī)所用的各種軟硬件(噴頭組、控制主板等)，進(jìn)行功能和經(jīng)濟(jì)對比，做出合理選擇；再次，要求學(xué)生能夠基于機(jī)身穩(wěn)定性、軟硬件的功能和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)做最優(yōu)化的統(tǒng)籌方案。 最后，要求學(xué)生導(dǎo)入可模塊化拆卸理念，有意識地進(jìn)行資源再利用。

(3) 整機(jī)搭建與調(diào)試 根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，我們預(yù)先購置了一些配件(如步進(jìn)電機(jī)、絲杠等)，在搭建過程中則要求學(xué)生使用配備的3D打印機(jī)打印另一部分零部件(如電機(jī)座)，用以考察學(xué)生操作3D打印機(jī)的能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生反復(fù)檢查連接情況并進(jìn)行通電運(yùn)行調(diào)試，調(diào)試完畢后要求學(xué)生打印模型測試打印機(jī)性能。

(4) 課程考核 課程實(shí)踐不僅涉及資料查閱、樣機(jī)拆裝與方案制定、整機(jī)搭建與調(diào)試，還涉及材料選擇與加工、經(jīng)濟(jì)成本核算等方面，為了全面考核學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，要求學(xué)生提交3D打印實(shí)體機(jī)、3D打印作品、實(shí)踐報(bào)告，最后通過結(jié)課答辯的方式來考核學(xué)生的能力達(dá)成情況。

2. 3D打印的教學(xué)實(shí)踐

(1) 3D打印機(jī)制作 考慮到成型工藝的易實(shí)現(xiàn)性、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性并滿足一般模型的尺寸要求，學(xué)生設(shè)計(jì)制作的3D打印機(jī)為FDM型，采用加熱式平臺，選擇PLA打印材料，成型體積為200*200*180mm，采用加熱式平臺。選擇鋁型材、光軸、絲杠搭建機(jī)身，選擇Repetier-Host作為操作軟件，Mega2560作為控制電路，再選擇MK8型噴頭組、42步進(jìn)電機(jī)、12V開關(guān)電源等配件，進(jìn)行整機(jī)組裝并調(diào)試。圖1、圖2分別為一組學(xué)生的設(shè)計(jì)方案(結(jié)構(gòu)部分)和最終的3D打印實(shí)體機(jī)。

(2) 模型打印與調(diào)試性能驗(yàn)證 FDM成型工藝的3D打印機(jī)的工作過程一般包括建模、分層、成型和后處理四個主要步驟。這里以齒輪的打印實(shí)例介紹3D打印機(jī)的工作過程以及驗(yàn)證打印機(jī)的調(diào)試性能。主要步驟如下：

第一，將齒輪模型的STL文件載入操作軟件Repetier-Host的“3D空間”中。調(diào)整模型擺放位置和角度，如下頁圖3所示。

第二，對調(diào)整好的模型進(jìn)行切片分層設(shè)置。選擇“Slic3r”作為切片軟件，在參數(shù)設(shè)置界面內(nèi)對層高、打印速度、填充密度和類型、支撐、噴頭與熱床溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下頁圖4所示。

第三，進(jìn)行切片，切片完畢的模型如下頁圖5所示。

第四，模型打印。打印完成后經(jīng)過去支撐、去毛刺、打磨等后處理的齒輪模型如下頁圖6所示。該圖展示的齒輪為經(jīng)過一系列后處理操作的模型，打印精度為0.2mm，模型表面較為光滑，層紋細(xì)小而均勻，無嚴(yán)重的拉絲、翹邊等現(xiàn)象。整個打印過程反映了學(xué)生設(shè)計(jì)制造的3D打印機(jī)具有良好的打印性能。這些3D打印機(jī)反過來又可以成為我們教學(xué)的設(shè)備，為學(xué)生提供更好的實(shí)踐條件。

(3) 3D打印技術(shù)在機(jī)械類學(xué)科專業(yè)中的應(yīng)用 3D打印技術(shù)的重要價(jià)值之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)快速制造，個性化定制，能夠及時(shí)地將設(shè)計(jì)思想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體的具象展示。因而在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中，3D打印機(jī)能夠成為教育工作者的得力助手，幫助教師將課程中的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者技術(shù)現(xiàn)象進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

在機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)中，對于機(jī)械原理課程中的蝸輪蝸桿傳動、復(fù)雜輪系的運(yùn)動等轉(zhuǎn)向問題，學(xué)生很容易混淆，教師以此設(shè)計(jì)打印各種結(jié)構(gòu)用作教學(xué)演示，可以幫助學(xué)生理清思路；又如機(jī)械制造基礎(chǔ)中借助3D打印機(jī)制作出各種刀具、夾具，可以幫助學(xué)生理解刀面與角度、定位與夾緊等概念。數(shù)控技術(shù)課程亦將3D打印控制技術(shù)引至實(shí)驗(yàn)教學(xué)，理解其中的數(shù)控技術(shù)原理。

在模具設(shè)計(jì)制造專業(yè)教學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印機(jī)先將設(shè)計(jì)的模具打印出來，以驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，省去了鑄件開模的時(shí)間和花費(fèi)。同時(shí)，教師也可打印模具模型用來演示以輔助教學(xué)。

另外，在車輛工程、飛行器專業(yè)和真空技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印機(jī)制作的車輛外觀模型、飛機(jī)機(jī)翼、螺旋槳、真空泵螺旋轉(zhuǎn)子等來加深對學(xué)科知識的理解。

3. 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用效果

首先，將3D打印技術(shù)引入到教學(xué)中，拉近了學(xué)生與先進(jìn)制造技術(shù)的距離，使學(xué)生能夠加深對數(shù)字化前沿技術(shù)的認(rèn)識，為學(xué)生提供了一種解決復(fù)雜工程問題、學(xué)習(xí)綜合性知識的路徑。其次，3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)制作，有利于幫助學(xué)生理解和掌握3D打印技術(shù)，并營造了良好的實(shí)踐教學(xué)氛圍。再次，3D打印機(jī)應(yīng)用于機(jī)械學(xué)科專業(yè)，使學(xué)生能夠立體地接觸到各課程中的機(jī)構(gòu)或器具，不僅豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后，在3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)到制作中，三維建模軟件的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理以及單片機(jī)等課程的運(yùn)用，使得學(xué)生能夠在實(shí)踐中綜合運(yùn)用所學(xué)知識，做到融會貫通，模型的繪制、工藝參數(shù)的設(shè)置和打印過程中問題的解決，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。最后，學(xué)生在實(shí)踐過程中通過討論交流互相協(xié)作，將創(chuàng)意通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生的想像力和創(chuàng)造熱情，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著重要作用。

四、 結(jié) 語

3D打印課程的教學(xué)與實(shí)踐，是在兼顧理論教學(xué)的基礎(chǔ)上更傾向綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)踐，它能幫助學(xué)生從發(fā)展趨勢、應(yīng)用領(lǐng)域、工作機(jī)理、設(shè)計(jì)制造、使用維護(hù)、消化吸收再創(chuàng)新等方面全方位地了解3D打印技術(shù)，為學(xué)生后期使用操作3D打印機(jī)、設(shè)計(jì)研發(fā)新型3D打印設(shè)備提供了一定的理論和實(shí)物參考依據(jù)。我們先后也在先進(jìn)制造技術(shù)課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)活動中引入3D打印技術(shù)建摸方法、創(chuàng)新型設(shè)計(jì)等理念實(shí)踐，實(shí)踐教學(xué)不但改善了傳統(tǒng)的理論性教學(xué)環(huán)境，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生視野，而且使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、主動思考、創(chuàng)新實(shí)踐的過程中提高了工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，如畢業(yè)設(shè)計(jì)制作的可折疊式便攜3D打印機(jī)已經(jīng)成為樣機(jī)。為了發(fā)揮3D打印技術(shù)在工科專業(yè)中的廣泛應(yīng)用，依托3D打印在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐，我們計(jì)劃建設(shè)創(chuàng)客(Maker)實(shí)驗(yàn)室，一方面給更多的學(xué)生提供深入研究的空間，拓展學(xué)生思維空間；另一方面謀求與相關(guān)企業(yè)合作并提供資源共享服務(wù)，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

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[3] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012(26):3-5.

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(責(zé)任編輯 謝媛媛)

Teaching and Practice of 3D Printing Course for Machinery Majors

ZHU Zhenghong, REN Wangyang， XU Dongzhen

(School of Mechanical Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

This paper analyzes the feasibility of adding 3D printing course in the current teaching activities for machinery majors, and introduces the teaching of theoretical knowledge, the equipment design and manufacture, the model printing and the application effect of 3D printing in the teaching. The result shows that the application effect of 3D printing is significant, and it is helpful for improving the relevant knowledge and skills of students and training their engineering practice ability and innovation ability. The relevant teaching practice can lay a solid foundation for further exploration on the application of 3D printing in the teaching activities.

3D printing; teaching activity; teaching practice; teaching application

2016-05-10

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015ckjh003)；合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備自制項(xiàng)目(201501)

朱政紅(1959-)，女，安徽合肥人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

G434

A

1008-3634(2017)01-0126-4.5