3D打印在工程訓(xùn)練中教學(xué)組織的研究

安芬菊，李德榮，俞國燕，陳伯豪，陳典龍

(廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

3D打印正在重塑全球制造業(yè)的競爭格局，被NSF認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的制造技術(shù)革命。2012年，美國啟動(dòng)首個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃——增材制造 (3D打印)；2013年，我國將3D打印技術(shù)上升到國家戰(zhàn)略需求的地位[1]，并將該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)入選國家863計(jì)劃，這為3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展奠定了里程碑。

3D打印，實(shí)質(zhì)是一種增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)[2]。主要有熔融沉積成形(FDM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、立體光固化成形(SLA)、疊層實(shí)體制造(LOM)、三維打印(3DP)、激光近凈成形制造(LENS)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)等多種工藝方式。3D打印在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用的比較多，現(xiàn)在發(fā)展到采用這種技術(shù)直接打印某些零部件。另外，該技術(shù)在工程、珠寶、鞋類、教育等領(lǐng)域亦有應(yīng)用。在2015年期間，美標(biāo)公司 (American Standard)推出 “DXV”3D打印金屬水龍頭系列，如圖1所示。荷蘭阿姆斯特丹古老運(yùn)河上將凌空飛跨一座由 “MX3D研究和發(fā)展”公司通過3D打印技術(shù)完成的新型鋼鐵大橋，如圖2所示?？梢?D打印技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，正在迅速地崛起。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)，尤其是引入工程訓(xùn)練，可以盡早將先進(jìn)的技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，了解掌握前沿科技，具有重要的引領(lǐng)作用[3－5]。

圖1 水龍頭

圖2 新型鋼鐵大橋

1 3D打印實(shí)訓(xùn)室的硬件建設(shè)

目前，3D打印的種類很多。在不同工藝的3D打印設(shè)備中，生產(chǎn)批量較大的主要有熔融沉積快速成形設(shè)備(桌面型和工業(yè)級)、激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備(包括成型非金屬材料和成型金屬材料的設(shè)備)、立體光固化成形設(shè)備等。本文通過市場調(diào)研，比較設(shè)備的價(jià)格、設(shè)備所用耗材的用量與價(jià)格、設(shè)備的使用率等因素，結(jié)合各方面的因素，包括學(xué)生人數(shù)、專業(yè)特點(diǎn)等方面，綜合考慮，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

3D打印實(shí)驗(yàn)室建筑面積約400 m2，由3間實(shí)訓(xùn)室組成，具體為3D打印操作室2間，配備了6臺(tái)FDM桌面3D打印機(jī)、3臺(tái)工業(yè)級熔融沉積成形設(shè)備、1臺(tái)非金屬材料激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備；多媒體機(jī)房實(shí)訓(xùn)室1間，配置了45臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于模型的三維設(shè)計(jì)。為了保證授課的效果，在3D打印實(shí)驗(yàn)室還配置了智能電視1臺(tái)、多媒體投影設(shè)備1套。

2 教學(xué)案例

本次教學(xué)實(shí)例采用的設(shè)備是北京太爾時(shí)代科技有限公司生產(chǎn)的UP Plus 2型FDM桌面3D打印機(jī)，它集機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)為一體，其工作原理如圖3所示。數(shù)據(jù)分析與控制軟件為UP設(shè)備自帶軟件，三維CAD模型設(shè)計(jì)軟件選用Solidworks軟件，模型材料使用工程塑料ABS或聚乳酸PLA。

圖3 FDM桌面3D打印工作原理圖

2.1 3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容由6部分組成，即安全教育(10 min)、3D打印的概述(30 min)、示范講解3D打印的工藝過程(20 min)、三維設(shè)計(jì)軟件的使用(120 min)、創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)(120 min)、分組打印作品(180 min)。

1)安全教育和視頻觀看。首先進(jìn)行安全教育，學(xué)習(xí)各種設(shè)備安全操作規(guī)程及其他安全注意事項(xiàng)，將安全教育放在第一位。

2)組織學(xué)生在電視上觀看自制的3D打印教學(xué)視頻，內(nèi)容包括3D打印的成型原理、3D打印的常見工藝方法、3D打印在衣、食、住、行、工業(yè)、航空等方面的應(yīng)用情況等?？匆曨l之前給學(xué)生強(qiáng)調(diào)說明視頻中已經(jīng)講解的內(nèi)容，老師不再重復(fù)講解示范，提醒學(xué)生認(rèn)真觀看，同時(shí)告知學(xué)生、看完視頻實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師進(jìn)行隨機(jī)提問抽查，檢驗(yàn)觀看的效果。這種方法有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，保證視頻觀看的效果。

3)示范講解部分以某一簡單模型的設(shè)計(jì)與制作為例，如圖4所示，說明3D打印從設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)工藝過程，具體講解內(nèi)容包括:Solidworks軟件繪制零件圖——UP Plus 2型FDM桌面3D打印機(jī)UP分析控制軟件的使用說明——桌面Plus－UP的操作要領(lǐng)——常見問題及處理方法。

圖4 魚骨圖

通過觀看教學(xué)視頻和示范講解，學(xué)生對3D打印的實(shí)習(xí)內(nèi)容有了一個(gè)較全面的整體的了解。

4)三維設(shè)計(jì)軟件的使用考慮到工程訓(xùn)練進(jìn)行實(shí)習(xí)的學(xué)生多為大一、大二的學(xué)生，一般都只是接觸到二維的CAD機(jī)械制圖，或者是根本就沒有接觸過機(jī)械制圖，他們對三維機(jī)械圖的設(shè)計(jì)還沒有概念，針對這種情況，選取底座作為示例進(jìn)行三維設(shè)計(jì)軟件的操作講解，如圖5所示。通過示例講解使同學(xué)們掌握三維繪圖軟件的基本操作方法。另外，錄制了一些視頻教材，比如草圖的繪制，拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、包覆等20多個(gè)命令的操作視頻，安裝在多媒體實(shí)訓(xùn)室的每一臺(tái)電腦上，便于同學(xué)們在繪圖過程中隨時(shí)查閱與學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師隨堂指導(dǎo)，及時(shí)解答學(xué)生在圖形設(shè)計(jì)過程中遇到的各種問題。

圖5 Solidworks設(shè)計(jì)實(shí)例——底座

5)創(chuàng)意零件的設(shè)計(jì)。學(xué)生在基本掌握了Solidworks軟件后，進(jìn)入創(chuàng)意設(shè)計(jì)階段，這個(gè)階段只對學(xué)生提出設(shè)計(jì)尺寸的要求，一般整體尺寸x/y/z三個(gè)方向的尺寸要求在20～30 mm之內(nèi)，零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不做限制。讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)各種小零件、小飾品等，這種以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生為主體、實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師為輔助的教學(xué)方法能夠使學(xué)生快速地掌握三維設(shè)計(jì)軟件的基本操作，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維的能力。

從實(shí)習(xí)教學(xué)反饋的信息來看，這種基于任務(wù)的3D打印實(shí)習(xí)已收到較好的教學(xué)效果，深受學(xué)生的歡迎。

6)分組打印作品及作品展示。一般實(shí)訓(xùn)以一個(gè)自然班為單位進(jìn)行，在打印階段每個(gè)班平均分為6個(gè)小組，每個(gè)小組5～6個(gè)人，每個(gè)作品的打印時(shí)間控制在15 min左右，按一定的順序進(jìn)行3D打印。打印完成的同學(xué)對打印出的作品進(jìn)行缺陷分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足之處，對需要修改或改進(jìn)的地方繼續(xù)回到多媒體實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行二次完善。

作品展示和討論環(huán)節(jié)，在給學(xué)生的實(shí)習(xí)小作品評定成績的過程中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)小組的學(xué)生對自己作品的缺陷的認(rèn)識(shí)總是不足，認(rèn)為自己做的已經(jīng)很好了，希望得到高分的成績，往往忽視作品打印失敗或出現(xiàn)缺陷的原因分析。因此，統(tǒng)一將學(xué)生的作品按工號順序擺放在工作臺(tái)面上，對每一件作品進(jìn)行逐一討論與點(diǎn)評，說出每一個(gè)作品的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及其產(chǎn)生的原因，進(jìn)行集體討論。通過討論，學(xué)生進(jìn)一步掌握3D打印的設(shè)計(jì)與制造[6－10]。

2.2 教學(xué)效果

實(shí)訓(xùn)過程中，每位學(xué)生都必須完成從最初產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，到打印制造出一件成品的全過程，并且，作品還可自行留作紀(jì)念。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性非常高。同學(xué)們對打印出來的作品進(jìn)行對比、討論，查找不足，提出改進(jìn)意見，對好的作品相互學(xué)習(xí)。這一過程中，學(xué)生充分發(fā)揮了創(chuàng)造力。精心地設(shè)計(jì)自己的作品，通過3D打印訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力，教學(xué)效果非常好。學(xué)生的部分作品如圖6所示。

圖6 學(xué)生實(shí)習(xí)的部分作品

3 結(jié)束語

3D打印實(shí)訓(xùn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)科競賽項(xiàng)目相結(jié)合，進(jìn)一步拓展了教學(xué)內(nèi)容。3D打印與校企聯(lián)合開展的小家電研發(fā)平臺(tái)相結(jié)合，服務(wù)社會(huì)。應(yīng)建立學(xué)習(xí)型師資隊(duì)伍、采用多樣化的教學(xué)手段。

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