3D打印與機械類專業(yè)教學相融合的應用與探究

摘 要：3D打印技術(shù)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，是智能制造的核心內(nèi)容。本文介紹了3D打印技術(shù)在機械類專業(yè)課程教學中的應用，實物教具進入課堂教學，能夠提高學生的學習興趣，加深學生對理論知識的掌握;同時還介紹了3D打印技術(shù)在實踐教學中的應用，學生利用3D打印完成產(chǎn)品的設計與制作，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維，對學生今后的專業(yè)技能和職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

關(guān)鍵詞：3D打印;課程教學;實踐教學;創(chuàng)新

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.187

0 引言

上世紀九十年代，制造技術(shù)迎來了一名新成員——3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）。它的出現(xiàn)，是制造科學與技術(shù)發(fā)展的新機遇，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，被視為“第三次工業(yè)革命”的代表。它的發(fā)展在一定程度上反映了國家的經(jīng)濟活力，是支撐創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的利器，是“中國制造2025”的發(fā)展關(guān)鍵[1]。3D打印技術(shù)的實施，一方面能快速改變我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)面貌和發(fā)展模式，以原先制造所用的一半時間、一半成本，提升我國制造業(yè)的競爭力;另一方面能帶動設計、制造和材料三位一體發(fā)展，存進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與提升，有力推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

高校作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要場所，應大力發(fā)展3D打印技術(shù)，不斷探索和尋找該技術(shù)與不同專業(yè)的結(jié)合點。將學生所學專業(yè)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，利用其優(yōu)越性幫學生更好地掌握專業(yè)知識，使學生在設計過程中激發(fā)創(chuàng)新思維，在實踐過程中鍛煉動手能力。

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)，屬于快速成形技術(shù)的一種。首先通過計算機輔助設計建模軟件建模，以此模型文件作為基礎，然后通過相關(guān)軟件將模型進行“切片”處理，電腦將這些切片信息傳送到3D打印機上。3D打印機運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，根據(jù)這些數(shù)字切片噴涂一層層的薄型層面，再將薄型層面堆疊起來，最終完成一個實體模型。它的出現(xiàn)體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的緊密結(jié)合，是先進制造業(yè)的重要組成部分[2]。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比較，大大縮短了生產(chǎn)時間，減少了材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的可靠性，同時可以制作相對復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，滿足個性要求等。隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印將會引發(fā)生產(chǎn)方式和社會生活的變革。

2 3D打印與課程教學相融合

在傳統(tǒng)的機械類課程教學中，整個課堂教學方式單一。雖然課堂上教師采用了多媒體技術(shù)與板書結(jié)合的方式，但依然是以教師為主的一味灌輸，課堂枯燥乏味，學生很難參與并理解，教學效果不盡如人意。將3D打印技術(shù)應用到機械類的課堂教學中，學生直接面對實物模型，增強學生的認知能力，提高課程教學效果。

2.1 與機械制圖相融合

圖是工程師的語言，作為機械專業(yè)的學生，看圖能力和繪圖能力兩者缺一不可，那么機械制圖課程的重要性不言而喻[3]。但機械制圖課程對學生的空間想象力有很高的要求，比如兩個形體相貫后的相貫線，用平面截切立體形成的截交線，組合體的視圖等，如果想象不出來，就會使得這門課程學習起來非常困難。在機械制圖課程中融入3D打印，教師可以根據(jù)實際教學，打印出所需要的任何模型，這些模型的制作非常簡單方便且制作成本低廉，但卻能很好的為學生解答學習中的困惑。學生可以根據(jù)具體的實物圖，觀察各種線的形成進而繪制三視圖。學生在大量的三視圖與實物圖之間進行反復對照研究，找出制圖中遵循的規(guī)律，并在實踐中加深理解。

2.2 與機械原理相融合

機械原理課程是一門知識面較廣，實用性較強的課程，筆者在近五年的教學中，學生普遍反應本門課程學習起來較為困難，說明目前的教學模式還有待改進。在機械原理課程中融入3D打印，將大大改善原有的教學模式。例如在講解平面連桿機構(gòu)的基本知識時，可以讓學生以小組為單位，提前用3D打印機打印出長短不一的連桿。教師在上課時采用探究式和啟發(fā)式的方式來授課，學生根據(jù)自己手里的連桿拼接平面鉸鏈四桿機構(gòu)，以任意長度的四個連桿進行組合，探索曲柄存在的條件，并在此基礎上進而探索以不同構(gòu)件作為機架時，鉸鏈四桿機構(gòu)的類型的變化。這樣可以調(diào)動學生在課堂學習的興趣，活躍課堂氛圍，增加學生課堂的參與感，提高教學質(zhì)量。

3 3D打印與實踐教學相融合

實踐教學作為課程教學的重要組成部分，是對理論教學的補充和延伸，與理論教學相輔相成。學生在實踐過程中，運用理論所學，提高自身實踐動手能力和創(chuàng)新能力[4]。我校增材制造創(chuàng)新中心（又稱“3D打印實驗室”）成立于2017年11月，配備有50臺3D打印機。該實驗室為開放型實驗室，可以滿足學生完成產(chǎn)品的設計、打印和后期處理等，使產(chǎn)品達到一定的功用。3D打印技術(shù)與實踐教學相融合，鼓勵學生參加創(chuàng)新比賽，提高學生的實踐能力和綜合設計能力。

3.1 與三維制圖軟件相融合

3D打印作為一種先進的制造技術(shù)，吸引了不少大學生的好奇心。學生只有在計算機里繪制出產(chǎn)品的相應模型，打印機才能將模型打印成成品。這就要求學生必須熟練掌握三維繪圖軟件，如SolidWorks、Pro/Engineer、3DMAX、UG等等。雖然我校并沒有開設三維制圖軟件的相關(guān)課程，但隨著3D打印實驗室的建立，在我校學生中間掀起了一股學習三維軟件繪圖的熱潮。學生能深切地意識到繪圖能力的重要性，才能更主動地去學習，學習效率大大提高。只有掌握了三維繪圖這個基本技能，3D打印才能發(fā)揮作用。

3.2 與課程設計相融合

課程設計是專業(yè)課程的最后一個環(huán)節(jié)，是對學生進行的一次全面的設計訓練。我校機械設計的課程設計內(nèi)容一般為機械裝置（如結(jié)構(gòu)簡單的機械、機械傳動裝置和減速器等）的設計。設計時間一般為三周，要求學生最終提交裝配圖、重要零件的設計圖和設計說明書。這種傳統(tǒng)的課程設計僅停留在紙面上，導致效果不佳。將3D打印技術(shù)與該課程設計相融合，引入三維繪圖設計的新思路。學生首先在三維繪圖軟件中進行減速器的零件的設計，然后完成減速器的裝配，在裝配過程中，觀察各個零件的配合情況以及是否發(fā)生干涉，最后利用3D打印機將所有零件打印出來并完成組裝。這樣一個完整的減速器就做出來了。這種利用3D打印技術(shù)對計算機所建的虛擬模型進行實體制造，可以大大增加學生的興趣和學習主動性。這種設計方法也可以對其他的課程設計起到借鑒作用。

3.3 與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相融合

為適應“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的新浪潮，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的主力軍，激發(fā)大學生的雙創(chuàng)熱情，我校3D打印實驗室為學生的雙創(chuàng)提供了基礎設施，在很大程度上能夠促進雙創(chuàng)項目的完成。學生根據(jù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目要實現(xiàn)的功能和目標，提出自己的創(chuàng)意和想法，利用繪圖軟件設計出三維模型，再打印成成品，對打印的成品進行后續(xù)處理并進行優(yōu)化改進，最終變成能夠?qū)崿F(xiàn)某特定功能的產(chǎn)品，完成了設計到制造的一體化。讓更多的學生參與到創(chuàng)新設計中來，感受科技的魅力，讓更多的學生受益。

3.4 與學科競賽相融合

學科競賽是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學生團隊合作精神的有效途徑[5]。我校3D打印實驗室的創(chuàng)建，為學生提供了一個可自由發(fā)揮的平臺，學生參加學科競賽的積極性明顯提高。我校學生的作品“集中貨物長行程遙控避障起重機”在2018年中國大學生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽“礦源杯”第三屆全國大學生起重機創(chuàng)意大賽中獲獎，該作品中除了控制部分以外其余零部件都是學生自己設計使用3D打印機打印完成。我校學生團隊參加2018一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽——首屆工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及其增材制造技術(shù)大賽，榮獲工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及其增材制造技術(shù)大賽團體三等獎。

4 結(jié)束語

3D打印作為新興的先進制造技術(shù)，將其技術(shù)優(yōu)勢與機械專業(yè)課程相融合，全面拓展和完善教學方法，不斷推進實踐教學，構(gòu)建理論和實踐相結(jié)合的課程體系，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，更進一步激發(fā)學生對機械設計的興趣，提高學習效果。今后還應不斷探索3D打印與其他專業(yè)課程的融合，讓3D打印更好地為課堂教學服務，更好地為學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)服務。

參考文獻：

[1]王強，姜明偉，郭書貴.中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2018（02）：52-56.

[2]杜國光，周明全，周蓬勃，付倩.未來設計新思路探討——從傳統(tǒng)制造技術(shù)到3D打印設計新框架[C].北京：第三屆交互設計國際會議，2013.

[3]吳曉東.淺談機械制圖在機械制造中的應用[J].中國化工貿(mào)易，2014（13）：83.

[4]江帆，張春良，王一軍.機械專業(yè)學生主動實踐能力培養(yǎng)體系構(gòu)建[J].高等工程教學研究，2016（01）：187-192.

[5]劉允，張雅芳.高校學科競賽組織管理工作研究[J].揚州大學學報（高教研究版），2010（04）：31-33.

作者簡介：趙婕（1990-），女，山西運城人，碩士，助教，研究方向：智能制造技術(shù)。