3D打印技術在計算機輔助制造課程教學中的應用

馮銳

摘要： 3D打印技術是增材制造技術的別稱，廣泛應用航空航天、汽車、機電、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。計算機輔助制造課程教學中引入3D打印技術，設置增材制造教學內(nèi)容，采用靈活教學方法，有利于提高學生的學習主動性與積極性，有利于提高學生的創(chuàng)新設計與動手能力。

Abstract： 3D printing technology is another name for the additional material manufacturing technology， and is widely used in aerospace， automotive， electrical， medical， cultural creativity industries. In the course of computer-aided manufacturing， 3D printing technology is introduced， the content of additional material manufacturing is arranged， and flexible teaching method is used， which is helpful to improve students' learning initiative and enthusiasm， and to improve students' innovative design and practical ability.

關鍵詞： 3D打印技術；計算機輔助制造；教學改革

Key words： 3D printing technology；computer-aided manufacturing；teaching reform

中圖分類號：G434；G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0167-02

0 引言

計算機輔助制造課程是機電一體化技術、模具設計與制造、數(shù)控技術等機械制造類專業(yè)的主干課程之一，課程主要學習應用計算機輔助制造軟件（Master CAM、CAXA、Pro/E、Solid Works、CATIA、UG）對復雜零件的先進制造進行工藝規(guī)劃、刀具路徑計算、加工仿真、程序輸出、后置處理等，是一門實踐性非常強的的課程，內(nèi)容抽象難懂，需要學生具備良好的空間想象能力和形象思維能力。然而教學現(xiàn)狀是學生對于零件的認識處于識別圖紙、建立三維模型階段，學生的學習積極性不高，成就感不足，把課程當成一種負擔。因此不能滿足學習、教學、生產(chǎn)的需求。

如何提高學生的學習趣味性、主動性、積極性，學生能夠具備計算機輔助制造基本知識、基本技能、掌握新的專業(yè)知識，是一個亟需解決的問題。為此將3D打印技術引入計算機輔助制造課程教學活動中，設置增材制造教學內(nèi)容，采用靈活教學方法，促使學生參與全過程，學生能夠使用3D打印機制造出自己設計的三維模型，對難懂的知識有更加直觀的了解，也拓展了專業(yè)視野，從而增強對計算機輔助制造原理、制造工藝、制造過程的認識。

1 計算機輔助制造課程教學現(xiàn)狀

目前的教學是以工作過程知識為系統(tǒng)的課程內(nèi)容，將機械制圖、機械結構與設計、零件數(shù)控加工工藝、UG NX8.0軟件的使用、設備通信操作等知識在計算機輔助制造的工作過程中重構，通過課程學習使學生了解只有具備這樣的知識才能完成工作任務。具體教學過程如圖1所示。

教學中呈現(xiàn)如下特點：①知識體系內(nèi)在聯(lián)系較為松散、邏輯性不強，涉及的基礎理論知識內(nèi)容繁多、深度不夠；②學習能力較差、數(shù)控加工工藝的缺乏，導致大多數(shù)學生學習進度停滯在三維建模階段，未完成教學內(nèi)容，教學效果較差；③由于教學實訓設備的單一，數(shù)控機床不足以滿足每位學生的數(shù)控加工需求，不能制造學生自行設計三維模型的實物，致使學習積極性不高、成就感不足；④教學手段和形式較為單一，未能充分利用UG CAM功能，刀具軌跡的規(guī)劃能力不足，不能很好地進行數(shù)控程序的后期處理，不會數(shù)控機床的基本操作，涉及具體操作過程僅靠老師侃侃而談，學生難于理解教學內(nèi)容，致使學生上課興趣不高。

如何在教學過程中，將理論知識與生產(chǎn)實際結合，加強師生互動環(huán)節(jié)，學生將自行設計的模型實物化，為計算機輔助制造課程尋求新的創(chuàng)新教學培養(yǎng)模式，使學生更好地掌握專業(yè)知識，完善知識結構，提高綜合素質(zhì)。3D打印技術的迅猛發(fā)展，為計算機輔助制造課程的教學活動提供了新的思路、新的方案、新的方法。

2 3D打印技術概況

3D打印技術是增材制造技術的別稱，它以正向建?；蚰嫦驋呙璧确绞浇⒌?D模型文件為基礎，按照某一坐標軸切成有限多個剖面，然后逐層通過數(shù)字化疊加材料而形成三維實體的技術。根據(jù)3D打印機使用的材質(zhì)，可以將3D打印技術劃分為箔材粘接技術、光固化成型技術、粉末激光燒結技術、噴射成型技術、熔融沉積造型技術、氣溶膠打印技術、生物繪圖技術等。它直接由三維建模軟件生成任意形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

隨著工業(yè)級、桌面級打印機的快速發(fā)展和3D打印技術的日趨成熟，3D打印技術在大學課堂中充分發(fā)揮了優(yōu)勢。3D打印進入課堂成為現(xiàn)代高職教育教學改革的一個新舉措。目前，我國許多高校已采用3D打印技術進行課堂教學與實驗。利用3D打印機，可以將微觀的零件放大并呈現(xiàn)出來，可以將復雜的零件快速制作出來，可以將學生自行設計的個性化模型打印出來。一方面可以使教學更加可視化，更加具有可操作性，更加具有吸引力；另一方面為學生提供更多的動手機會。

3 基于3D打印技術的教學設計

3.1 教學目標

融入3D打印技術的計算機輔助制造教學主要目標是培養(yǎng)學生掌握CAD/CAM最新應用技術，具有較強的產(chǎn)品設計與3D打印設備操作技能，成為從事產(chǎn)品設計與制造和生產(chǎn)管理的技術技能型人才。具體教學要求如下。

①了解3D打印技術的原理、特點、應用范圍、發(fā)展方向的基本知識。

②掌握當前主流3D打印方式：FDM、SLA、SLS、3DP 、LOM、EBM、DLP等的成型方法、工藝過程、工藝特點。

③重點掌握FDM（熔融沉積成型）的相關知識，主要包括能夠熟練使用3D打印設計軟件（UP！、MakerWare）、會3D打印機（UP mini、UP PLUS2）的基本操作、能使用三維掃描儀、合理選擇3D打印工藝參數(shù)、后期處理等內(nèi)容。

④熟練掌握逆向工程軟件Geomagic Studio 、正向建模軟件UG NX8.0 、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件Image To STL Converter-master及其他設計軟件。

3.2 教學內(nèi)容設計

3D打印技術在教學內(nèi)容上主要分為三部分：一是建模軟件Geomagic Studio 和UG NX8.0的應用。二是3D打印技術基礎知識。三是基于FDM原理的設計軟件的使用，桌面級3D打印機的操作、維護、保養(yǎng)。教學內(nèi)容的安排上按照練、學、思、拓的能力訓練模式展開：第一階段，以照片、視頻和實物的形式，讓學生對3D打印技術有一個基本的認知，用直觀形象的表達方法極大地激發(fā)學生對3D打印技術的興趣和學習熱情；第二階段，通過任課教師對具體技術、原理、思路和方法的講授使學生進一步學習3D打印技術涉及到的技術環(huán)節(jié)，熟悉整個設計流程；第三階段，以常見機械零件為例熟練使用Geomagic Studio 和UG NX8.0的逆向工程功能、正向建模功能、裝配功能、仿真加工功能，具備相關知識后，學生能夠自行設計個性化的創(chuàng)意工藝品、通用零部件、結構較為復雜的零件；第四個階段，學生們進入實質(zhì)的設計階段，通過分配給自己的設計題目，各自搜集整理相關資料，理出設計要點，進行具體設計并進行加工裝配；第五階段，學生用UP！軟件進行STL文件校核與修復，確定模型擺放方位，選擇切片參數(shù)與打印工藝參數(shù)，存儲分層文件進行模擬加工，根據(jù)預打印效果修正參數(shù)，將整理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴CUP mini打印所設計的作品，再進行表面處理去除支撐和打磨，如圖2所示。

3.3 教學能力訓練

3D打印技術涉及多門交叉型學科，包括材料學科（金屬、非金屬、尼龍、石膏、高分子、陶瓷），金屬加工工藝學科（等材制造、減材制造、增材制造），自動化控制學科，正向建模與逆向掃描工程軟件學科，機電設備拆裝調(diào)試學科，三維實體的測量學科。采用團隊學習機制可以降低學員的學習難度，提高學員間的團隊合作能力。團隊學習機制是指一個指定的設計項目或研究方向，由3～4人構成的團隊來完成，1人為領隊，其他為隊員。上課時每個團隊安排在同一個區(qū)域，以方便交流、討論。領隊負責協(xié)調(diào)工作，隊員間分工明確，任務到人，主要內(nèi)容分為：設計和加工，即一人負責整體設計，一人負責參數(shù)確定與加工，一人負責打印機調(diào)試和應用。團隊學習機制使學習過程更接近企業(yè)的實際情況，人與人之間的工作既相互區(qū)別又相互聯(lián)系，這就使學員的學習更加深入，學員間合作更加緊密，小組最終的作品也更加豐富和多元化，如圖3所示。

4 結語

通過融入3D打印技術，極大豐富了教學內(nèi)容，提高了學生的學習興趣、積極性、主動性、動手能力，開闊了學生的專業(yè)視野，對進一步完善計算機輔助制造課程教學有一定推動作用。

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