淺談3D打印在數(shù)控專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

曾志宏

摘 要：3D打印技術(shù)是一個(gè)新時(shí)代的新興技術(shù)，它足以引導(dǎo)第三次工業(yè)革命。作為技工院校應(yīng)該提前去了解并掌握和發(fā)展其技術(shù)，放眼未來，把握新興技術(shù)的氣息，積極培養(yǎng)掌握3D打印技術(shù)的創(chuàng)新型人才，為落實(shí)《中國(guó)制造2025》強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才。3D打印逐步在教育領(lǐng)域得到應(yīng)用，因此如何在教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們作了一些嘗試。

關(guān)鍵詞：3D打??；教學(xué)；模型制作；三維建模

一、我國(guó)快速發(fā)展的3D打印技術(shù)

2018年2月6日， 中科院福建物構(gòu)所3D打印工程技術(shù)研發(fā)中心林文雄課題組，在國(guó)內(nèi)首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出一款超級(jí)快速、連續(xù)打印的數(shù)字投影（DLP）3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)的速度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的600毫米/小時(shí)，可在短短6分鐘內(nèi)，從樹脂槽中“拉”出一個(gè)高度為60毫米的三維物體。同樣物體采用傳統(tǒng)的立體光固化成型工藝（SLA）來打印，則需要約10個(gè)小時(shí)。這意味著前者速度提高了100倍。

2018年3月5日 中國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的微型金屬3D打印機(jī)在山東青島西海岸新區(qū)正式發(fā)布。該3D打印機(jī)采用選區(qū)激光融化機(jī)制成型金屬件，可用于多材料、高性能的金屬零部件的直接制造。該設(shè)備的發(fā)布填補(bǔ)了中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的空白。

2018年5月9日凌晨，太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭將高分五號(hào)衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道。此次任務(wù)中，由中心試驗(yàn)技術(shù)部二室主任董富治牽頭研制的多個(gè)3D打印裝備器件得到成功運(yùn)用，標(biāo)志著3D打印助力航天發(fā)射能力實(shí)現(xiàn)新跨越。我國(guó)快速發(fā)展的3D打印技術(shù)，將推動(dòng)中國(guó)3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化的發(fā)展進(jìn)程。作為《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)布局和著力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，3D打印產(chǎn)業(yè)近年來備受關(guān)注。我們作為技工院校，為落實(shí)《中國(guó)制造2025》強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，必須進(jìn)一步推進(jìn)3D打印應(yīng)用專業(yè)進(jìn)程，著力推進(jìn)智能制造專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)，為國(guó)家戰(zhàn)略貢獻(xiàn)力量。

二、3D打印技術(shù)在數(shù)控專業(yè)教學(xué)中的作用

我們學(xué)院去年購(gòu)買了十臺(tái)3D打印機(jī)，這個(gè)學(xué)期在預(yù)備技師（數(shù)控專業(yè)）班，開設(shè)了為期五周的3D打印實(shí)操訓(xùn)練課程。Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件是近年來數(shù)控專業(yè)的重要課程之一。但由于學(xué)生接觸實(shí)體機(jī)械產(chǎn)品機(jī)會(huì)不多，很難形成對(duì)其設(shè)計(jì)的三維產(chǎn)品有準(zhǔn)確的概念，我們有了3D打印，就可以快速將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成為實(shí)物，方便了后期對(duì)實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。反過來，也會(huì)促進(jìn)學(xué)生對(duì)Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)動(dòng)力，興趣，因?yàn)楫a(chǎn)品要達(dá)到比較完美、理想，必須重視Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)，要深刻領(lǐng)會(huì)Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)內(nèi)涵和技巧，巧妙地把個(gè)人想法、構(gòu)思變?yōu)槔硐氲膶?shí)物。在傳統(tǒng)的機(jī)械制造行業(yè)里，由多個(gè)零件裝配的機(jī)構(gòu)，必須將各個(gè)零件分別單獨(dú)制造加工好，才能裝配成機(jī)構(gòu)。但3D打印里，可以用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的在計(jì)算機(jī)上分別設(shè)計(jì)零件圖，然后組裝成裝配圖，在3D打印機(jī)上一次打印成機(jī)構(gòu)，極大地節(jié)約了加工時(shí)間和費(fèi)用。而且，利用3D打印，在具有螺紋連接或軸孔配合的產(chǎn)品機(jī)構(gòu)，更具產(chǎn)品快捷完成、外形美觀的優(yōu)勢(shì)。甚至利用3D打印機(jī)可制造傳統(tǒng)方法難以加工甚至無法加工的復(fù)雜構(gòu)體，打破了傳統(tǒng)制造的局限性。

三、用3D打印教學(xué)用模型、教具，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其已應(yīng)用于工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、教育、汽車等眾多領(lǐng)域。在我國(guó)，3D打印也逐步在教育領(lǐng)域得到應(yīng)用，但沒有完全普及。因此如何在教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，我們作了如下的一些嘗試。

1、用3D打印《機(jī)械制圖》教學(xué)模型，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的自信心

目前，學(xué)校使用的《機(jī)械制圖》課程教學(xué)模型普遍存在更新周期慢、廢損率高、品種不齊、數(shù)量少，不適應(yīng)改版教材、新教材，不能滿足多個(gè)班級(jí)、多個(gè)教師同時(shí)上課的教學(xué)需求。利用3D打印，不僅可以快速打印《機(jī)械制圖》教學(xué)模型，還可以對(duì)《機(jī)械制圖》教學(xué)模型進(jìn)行快速修改制作。首先教師收集資料信息，統(tǒng)計(jì)所需《機(jī)械制圖》教學(xué)模型的品種和數(shù)量。然后，一臺(tái)3D打印機(jī)作為一組（有2-3學(xué)生），并選出組長(zhǎng)。每臺(tái)3D打印機(jī)由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)教師所分配安排的打印任務(wù)和打好的模型管理。教師示范用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)《機(jī)械制圖》教學(xué)模型圖形，再用3D打印機(jī)打印其模型，并對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)、檢查、講評(píng)，看是否符合要求。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改圖形，直至合格。隨后就是學(xué)生首先用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)《機(jī)械制圖》教學(xué)模型圖形，再用3D打印機(jī)打印他們所設(shè)計(jì)的教學(xué)模型。而且教師、學(xué)生也可以一起設(shè)計(jì)、制作《機(jī)械制圖》教學(xué)模型。師生共同制作教學(xué)模型，不僅能夠幫助學(xué)生加深對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解和掌握，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的自信心。

2、用3D打印《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)模型與機(jī)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

目前，具有個(gè)性化、獨(dú)特性的創(chuàng)新型產(chǎn)品需要不斷增加。我們技工院校，必須多渠道想方設(shè)法培養(yǎng)具有創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才。為學(xué)生畢業(yè)后， 走進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)”、“萬眾創(chuàng)新”行列，自主創(chuàng)業(yè)打下良好基礎(chǔ)。如何培養(yǎng)更多創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型人才，我們認(rèn)為通過學(xué)習(xí)、實(shí)踐、掌握3D打印技術(shù)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。過去，學(xué)生用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的產(chǎn)品圖形，要想成為實(shí)物幾乎是不可能的，特別是一些要開模具的產(chǎn)品或復(fù)雜構(gòu)體。現(xiàn)在有了3D打印機(jī)，學(xué)生用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件的產(chǎn)品圖形，幾個(gè)小時(shí)就可以打印出來，產(chǎn)品的修改、試制也是極為快捷方便，只要在計(jì)算機(jī)上修改，修改好后再行打印即可。沒有傳統(tǒng)試制方法的費(fèi)時(shí)、價(jià)高。與傳統(tǒng)教育方法相比，借助于3D打印教育更具靈活性、創(chuàng)造性。因?yàn)?D打印本身具有個(gè)性化特點(diǎn)，使得學(xué)生完成物品的設(shè)計(jì)完全不會(huì)拘泥于一種形式，而是可以采用多種模式，可以不斷地開拓思路，拓展思維空間，大膽地嘗試。當(dāng)前，學(xué)校使用的《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)模型與機(jī)構(gòu)也普遍存在更新周期慢、廢損率高、品種不齊、數(shù)量少。隨著社會(huì)的發(fā)展，高品質(zhì)、個(gè)性化、互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來，帶來了許多新技術(shù)新事物，學(xué)生是未來，新奇的3D打印技術(shù)符合學(xué)生好奇的天性，又有利于學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。我們選取《機(jī)械基礎(chǔ)》課程里鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的“曲柄連桿”機(jī)構(gòu)作為案例來教學(xué)?！扒B桿”機(jī)構(gòu)按傳統(tǒng)的制作方法是將分別每桿帶二孔的四桿制作好，然后再將四桿件鉚接起來，才能使用，而且鉚接后四桿件必須能相互轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)。用3D打印機(jī)能否一次打印“曲柄連桿”機(jī)構(gòu)呢？按3D打印原理是可以的，因?yàn)椤扒B桿”機(jī)構(gòu)的裝配圖可以用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件繪制出來。但用3D打印的話，四桿件的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的制作方法一樣，但必須增加四個(gè)鉚接件，繪制好四桿件和鉚接件零件圖后，可組裝成裝配圖，用3D打印機(jī)一次打印裝配圖，即可打出“曲柄連桿”機(jī)構(gòu)。要注意桿件裝配的先后次序，確?！扒B桿”機(jī)構(gòu)正常工作。通過打印“曲柄連桿”機(jī)構(gòu)后，學(xué)生更加認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的重要性和必要性。在完成了教學(xué)模型打印任務(wù)之后，有些學(xué)生利用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件，試著設(shè)計(jì)一些外形比較獨(dú)特、多功能的筆架；有些學(xué)生試著想設(shè)計(jì)新穎教學(xué)用的圓規(guī)，畢競(jìng)傳統(tǒng)的教學(xué)用圓規(guī)圓心定位、裝夾粉筆都不太理想?？粗S躍欲試學(xué)生們作為我們教師感到由衷的高興。今天的學(xué)生，就是明天3D打印的希望。

盡管目前3D打印技術(shù)還面臨著能打印的材料品種少、成本高以及打印速度慢等方面的問題，但隨著3D打印機(jī)成本的降低，打印新材料的開拓、打印速度的提高，相信3D打印將會(huì)逐漸走進(jìn)課堂，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高學(xué)生動(dòng)手能力、促進(jìn)教學(xué)改革等方面發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭建才.3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用. <技術(shù)與應(yīng)用>. 2016 NO （08）