3D打印技術在力學方面的創(chuàng)新與應用

張發(fā)強，馮永哲，李延君

(長春工程學院，長春 130012)

1 力學課堂教學存在的問題

1.1 課堂教學手段較為單一

在傳統(tǒng)力學課堂中，教師通過在黑板上畫圖板書或PPT教學的教學手段，學生是只能通過空間想象或課堂PPT中動畫來理解，而不能通過實際操作動手理解。久而久之，學生欠缺自我動手能力，不利于學習興趣的培養(yǎng)，缺乏工程思維，并不能很好地理解和吸收力學基礎知識，導致無法高效順利的解決問題。

1.2 學生處于被動學習狀態(tài)

在傳統(tǒng)力學課堂中，通常往往是由教師主導講授知識，學生總是處于一種被動學習的狀態(tài)。教學過程中教師與學生之間思維傳導的不對稱性，造成不少學生在課程過半時產生負面因素，比如會產生厭倦的心理，從而開始抵觸課堂，降低了他們的學習興趣，甚至于開始對課堂教學產生質疑，出現(xiàn)上課睡覺玩手機下課抄作業(yè)消極學習的現(xiàn)象，很難保證課程教學的質量。

1.3 學生對力學實驗不重視

其中力學課程中實驗課時少，所占課程成績比重低，學生不認真對待力學實驗，實驗報告應付了事，不能通過實驗課的學習，深入理解理論知識和公式，無法在實驗中鍛煉自我動手能力和綜合實踐能力。

2 3D打印技術簡介

3D打印是一種快速成型技術，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以逐層打印的方式來構造物體的應用技術。它具有環(huán)保、安全、精度高、耐用、價格較低等優(yōu)勢，它可以實際需求進行定制化設計，師生通過進行創(chuàng)新設計，根據(jù)自己所想的做出自己想要的物件，靈活多變，也方便學生的實踐。將3D技術運用在力學教具制作設計上將其可定制充分發(fā)揮。

3 3D打印在力學教具方面的應用舉例

3.1 以剛體平面運動為例

圖1 平行四連桿機構

如圖1所示，三角剛片ABC與桿O1A，O2B鉸接，桿O1A繞鉸O1轉動，桿O2B繞鉸O2轉動，那么剛片ABC的運動情況是怎樣的？那么我們運用速度瞬心法來簡單分析一下，其步驟如下：

第一，繪制機構運動簡圖。第二，求瞬心的位置，VA、VB速度指向不同，兩速度公垂線的交點即為此刻的瞬心。第三，求出相對瞬心的速度。第四，求構件的絕對速度或角速度。

這些就是解這類題目的基本步驟，但是就這個基本步驟卻涉及到瞬心這個抽象概念的理解，對于那些三維空間想象能力較差的同學來說無異于就是難于登天，那我們如何幫助他們解決問題呢？我們可以用3D打印出來的教具去幫助他們。

首先，我們提前建立三維模型，利用3D打印將該教具打印出實物，為提前進入課堂演示做準備，模型如圖3、4所示：

圖3 3D打印的平行四連桿機構

圖4 碳棒結構

然后，我們將打印好的模型帶進課堂，同學們可以按照題目要求將O1, O2固定在底座上，固定之前在底座上先預鋪一張白紙，然后撥動O1A桿，使其整個系統(tǒng)發(fā)生轉動。

最后，隨著整個構件的轉動，安裝在ABC三點的碳棒如圖4將會在我們預先鋪好的白紙上留下一道道清晰的運動軌跡。這樣一來，整個三角剛片的三個點的運動情況將會非常清晰地展現(xiàn)在同學們的眼前，從而幫助同學們更好更快更高效地解決問題。

3.2 以行星輪系運動為例

解決此類問題，我們進行以下步驟進行問題分析。

第一，建立行星輪系運動的三維模型，模型如圖6、7所示，利用3D打印技術將教具打印出實物。第二，把3D打印好的教具零件按照要求組裝好。第三，將O點、A點軸承固定在底板，且在底板上鋪好一張白紙。第四，撥動OA桿使其轉動，而小齒輪沿大齒輪滾動而不滑動。

圖5 行星齒輪系

圖6 3D打印平面狀的行星齒輪系

通過教具模擬運動軌跡，在運動的過程中會在P,Q兩點正下方的碳棒在白紙上留下一條清晰的運動軌跡。從而有力地幫助同學們進行問題分析。再對B，C兩點的進行速度問題分析，便能減低解題的難度下降，通過3D教具模型模擬運動狀態(tài)就可以輕松地解決此類問題。

3.3 利用底板和支架構造空間立體維度

我們在課堂擺放教具時難免會出現(xiàn)難以固定的點，如圖8，圖9，圖10所示，我們制作的底座可以輕松的解決此類問題，底座有三個面，剛好組成了一個局部的三維空間，我們在底座上面設置了可以讓教具固定的點和卡槽，可以最貼切的模擬運動的情況，從而簡化問題。方便學生們分析空間運動。

圖9 3D打印的空間立體維度圖

圖10 固定點，卡槽圖

4 3D打印教具的優(yōu)點

4.1 體積小，便于攜帶

3D打印教具所選用的材料大多為塑料等黏合材料，質量輕盈，體積小，方便攜帶，并且造價較低，比較適用于課堂教學。教師講課時可以隨手操作來驗證結論，并且一套教具可以多人使用，很大程度地降低了成本。

4.2 精度高，耐磨損

教具是通過計算機三維軟件設計，它的設計精度非常高，在打印過程中打印機的精度在0.05mm～0.4 mm，打印完成之后的變形可以基本忽略。采用的材料為新型樹脂材料，這種材料的一個特點就是強度非常高，在操作過程中不容易因為磨損而導致教具報廢，從而降低了磨損率，節(jié)約了成本。

4.3 樣式多，便于組裝

現(xiàn)在很多中小學和高校都配置了3D打印機，教具可以自己制作，制作的時候尺寸統(tǒng)一，這樣就可以實現(xiàn)教具的多樣組裝，就像是搭積木一樣，可以實現(xiàn)一個桿件多種用途，極大地減少了造價成本。學生可以自己動手組裝，有效地提升課堂的活躍度和增加師生互動頻率，改善了課堂氣氛，極大地提高了學習的積極性和教學效果。

5 結語

由于其價格便宜、成品的多樣化的特點，為3D打印力學教具在力學課堂的應用帶來可行的條件。在進行3D打印力學教具的設計與研發(fā)，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與工程思維，能夠有效提升課堂的活躍度和增加師生互動頻率，3D打印力學教具可以消除教學過程中教師與學生之間思維傳導的不對稱性，極大的提高了學習的積極性和教學效果。