3D打印技術(shù)在課堂中的應(yīng)用

喬堃

摘要 3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)械行業(yè)開(kāi)始發(fā)生了轉(zhuǎn)型，對(duì)于正處于學(xué)習(xí)階段的高職機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，需要進(jìn)行教育教學(xué)內(nèi)容的改革，引進(jìn)3D打印技術(shù)可以更好的以市場(chǎng)和技能作為學(xué)習(xí)導(dǎo)向，開(kāi)闊學(xué)生的眼界，豐富學(xué)生機(jī)械知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生在擁有基礎(chǔ)理論的同時(shí)還掌握了其應(yīng)用技能，為學(xué)生的未來(lái)發(fā)展提供了方向。

【關(guān)鍵詞】3D打印 三維數(shù)據(jù) Rhino軟件 CAD軟件

就目前而言3D打印技術(shù)有著及其廣闊的未來(lái)發(fā)展前景，這也為高職院校提供了改革的方向，本文主要是從3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行延伸，參考機(jī)械類(lèi)課程的設(shè)計(jì)要求將其融入到教學(xué)當(dāng)中，為教學(xué)改革提出了一些參考性建議。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是采用了增材快速成型的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以進(jìn)行模型的構(gòu)建通過(guò)切片軟件的使用，將整個(gè)實(shí)體的三維打印出來(lái)，對(duì)于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，就是一種很好的將課本中所表達(dá)的二維信息轉(zhuǎn)化為可以直觀(guān)感受的三維立體圖形，從而達(dá)到教學(xué)效果，這種個(gè)性化的教學(xué)方式的引進(jìn)可以幫助學(xué)生在體驗(yàn)式教學(xué)當(dāng)中增加學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng)造思維，極大地調(diào)動(dòng)了對(duì)機(jī)械知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情。

3D打印技術(shù)通過(guò)三維數(shù)據(jù)，結(jié)合材料并逐層進(jìn)行產(chǎn)品的制作，就目前而言這種技術(shù)是打破了常規(guī)設(shè)計(jì)和制造方式，無(wú)需要模具就可以進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這是傳統(tǒng)技術(shù)所不能完成的，3D打印技術(shù)提高了材料的利用率，這不僅是成本的節(jié)省，而且縮短了制作的周期，其精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)效果可以應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。對(duì)技術(shù)強(qiáng)度要求較高的高職機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，將3D打印技術(shù)引入到課堂，可以改變學(xué)生對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域的認(rèn)知觀(guān)念，這對(duì)于他們?cè)诩夹g(shù)研發(fā)甚至是技術(shù)突破上有重要的引導(dǎo)作用，促進(jìn)3D打印技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。

1.2 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，并將其按照同樣規(guī)格進(jìn)行切片處理，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖形，之后進(jìn)行逐層加工使得疊層越來(lái)越高。通過(guò)CAD軟件或是其他同類(lèi)型軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用逆向工程的思維方式進(jìn)行數(shù)字模型的構(gòu)建，由于其技術(shù)的先進(jìn)性再搭配上多種的輔助技術(shù)，擴(kuò)大了這種3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

打印過(guò)程中會(huì)采用多種成型原理進(jìn)行，較為主流的有熔積沉積法即在電腦的控制下打印機(jī)會(huì)根據(jù)加熱的噴頭對(duì)熱塑性材料進(jìn)行輪廓截面的繪制，沿著X軸、Y軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)方向，隨著在高度Z軸的不斷疊加，打印出最后的成品，由這類(lèi)方式在后期的處理難度較大，一般適用于功能性要求較強(qiáng)的物件制作;激光選區(qū)燒結(jié)法是采用強(qiáng)度較高的激光線(xiàn)對(duì)粉末狀耗材進(jìn)行照射燒結(jié)，這種工藝制作出的成品疏松多孔，屬用于塑料金屬類(lèi)的零器件加工;光固化程序法是利用紫外光的照射讓液態(tài)耗材發(fā)生聚合反應(yīng)，迅速增大的分子凝固成型，這種方式所成型的零件的質(zhì)量和品質(zhì)較高，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但光固化這類(lèi)的樹(shù)脂會(huì)含有一定的毒性，在使用時(shí)需要格外的慎重。

2 3D打印技術(shù)在課堂中的應(yīng)用

2.1 3D打印技術(shù)在教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用

在機(jī)械教學(xué)內(nèi)容中會(huì)有很多學(xué)生難以想象到截?cái)鄨D形的完整立體構(gòu)圖（圖1），這就造成了空間想象力不足的學(xué)生所構(gòu)想的圖形與實(shí)際相差很大，在上平面截切課程的時(shí)候，采用3D打印技術(shù)可以有效地將其原理變化過(guò)程展示出來(lái)，直觀(guān)的讓學(xué)生看到截交面（圖2）發(fā)生的變化，還有些復(fù)雜的圖形的構(gòu)建是融合了多個(gè)基礎(chǔ)圖形，例如一個(gè)圓柱體在與圓錐形在融合后的相貫體的模型結(jié)構(gòu)及其相貫線(xiàn)的樣子學(xué)生沒(méi)有辦法直接想象出來(lái)，這就可以利用3D打印技術(shù)將組合過(guò)后的圖形進(jìn)行視圖的對(duì)比，而這個(gè)過(guò)程都是學(xué)生可以自己參與到的，這整個(gè)實(shí)踐的過(guò)程也就是學(xué)生對(duì)于自身的能力鍛煉。

2.2 教學(xué)方式的應(yīng)用

對(duì)于機(jī)械類(lèi)的學(xué)生需要掌握專(zhuān)用的CAD/CAM的應(yīng)用技術(shù)，為此教師可以讓學(xué)生自行分組，并安排好每個(gè)人員在整個(gè)圖形的設(shè)計(jì)、裝配中的角色并填寫(xiě)于實(shí)驗(yàn)表中，這里是以三維模型為例，一般來(lái)說(shuō)小組人數(shù)控制到3-4名就可以，這樣便于每一位同學(xué)都可以參與到設(shè)計(jì)繪制的過(guò)程當(dāng)中避免有些學(xué)生只是在一旁的觀(guān)望，首現(xiàn)需要學(xué)生在頭腦中進(jìn)行左邊的聯(lián)想，將抽象的概念通過(guò)某些詞的形容記錄在本上，便于將圖形的關(guān)鍵點(diǎn)在之后的設(shè)計(jì)當(dāng)中展示出來(lái)，如圖3為某小組同學(xué)利用Rhino軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)具有收納效果的裝置的立體造型。

這個(gè)裝置是采用了三個(gè)基本的零件組裝的，學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中融合了多種元素，這種具有創(chuàng)造力的構(gòu)想就是小組成員間合力的結(jié)構(gòu)，就設(shè)計(jì)本身而言需要一定的新意，這樣不僅是在發(fā)散學(xué)生的思維還有助于學(xué)生對(duì)于圖形結(jié)構(gòu)的了解，采用簡(jiǎn)單基礎(chǔ)的零件繪制出一個(gè)完整具有功能作用的裝置，是一種質(zhì)的變化，學(xué)生在實(shí)踐自己設(shè)計(jì)效果的過(guò)程就是一種能力的提高，采用小組的方式增加了學(xué)生間的溝通，這種互助的方式彌補(bǔ)了單人完成的不足，在掌握常用Rhino軟件的情況下，發(fā)揮了學(xué)生在設(shè)計(jì)方面的潛能。

學(xué)生在動(dòng)手的過(guò)程中激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，教師對(duì)于學(xué)生的作品要求可以放寬時(shí)間限制，這樣學(xué)生可以不斷地完善自己的設(shè)計(jì)成功，以達(dá)到最佳狀態(tài)，這也是一種不斷磨合的過(guò)程。

在使用Rhino軟件將設(shè)計(jì)好的作品模型進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化，成為STL格式，這樣主要便于導(dǎo)入到3D打印設(shè)備當(dāng)中。借助UP型設(shè)備主要操作流程為將設(shè)備進(jìn)行初始化的設(shè)置，擠出適量的ABS料絲，在打印過(guò)程中可以先進(jìn)行預(yù)覽，方便對(duì)于某些數(shù)據(jù)的設(shè)置，使得成型的作品具有精確性，當(dāng)所有的準(zhǔn)備工作都進(jìn)行完畢后并檢查無(wú)遺漏下就可以直接打印。

就實(shí)際而言將3D技術(shù)的引入可以幫助教師的項(xiàng)目課題的實(shí)現(xiàn)，尤其是對(duì)于這種動(dòng)手能力要求較高的課題就可以采用分組的形式，讓學(xué)生在溝通當(dāng)中不斷地完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，這也是一種互補(bǔ)的方式，有些學(xué)生設(shè)計(jì)比較好但是欠缺動(dòng)手能力，有些學(xué)生有很強(qiáng)的表達(dá)能力但是動(dòng)手能力欠缺，為此這樣的組合就可以有效地提高了成品的成型率，在完成作品以后可以進(jìn)行作品的演示，由同學(xué)講解他們的創(chuàng)作思路和設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，以此來(lái)增加學(xué)生的自信心。

就目前而言我國(guó)高職院校都開(kāi)展了各類(lèi)教育教學(xué)改革，作為第二課堂的實(shí)踐課程也屬于改革的內(nèi)容，將這種3D打印技術(shù)引入到學(xué)校的社團(tuán)或者是科研小組當(dāng)中，讓學(xué)生自行組織進(jìn)行學(xué)術(shù)的探討和科技的研發(fā)，這樣豐富了學(xué)生的業(yè)余生活的同時(shí)還可以作為教輔材料。這就需要有專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)教師進(jìn)行項(xiàng)目指導(dǎo)，幫助社團(tuán)或者是興趣小組進(jìn)行方向的確立或者是技術(shù)的指導(dǎo)，讓學(xué)生更好的實(shí)踐課堂內(nèi)容，以此來(lái)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和想象力。

3 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)的應(yīng)用，有助于營(yíng)造全真模擬的效果，可以將較為復(fù)雜的立體圖形展示出來(lái)，讓學(xué)生直觀(guān)地看到立體圖形，通過(guò)立體三維的構(gòu)建來(lái)彌補(bǔ)上課二維信息的不足，便于學(xué)生理解。讓3D打印技術(shù)作為一種媒介進(jìn)入到教學(xué)領(lǐng)域會(huì)增加學(xué)生的動(dòng)手能力，發(fā)揮了學(xué)生在設(shè)計(jì)方面的潛能，學(xué)生樂(lè)于參與到其中，感受到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，便于知識(shí)的掌握。同時(shí)也節(jié)約教學(xué)成本，有廣闊的發(fā)展前景。

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