3D打印技術在工程訓練教學中的應用與實踐

鐘思，黎清寧，呂汝金，李玉寒

（桂林電子科技大學 教學實踐部，廣西 桂林）

工程訓練是國內(nèi)工科大學開設的一門基礎課程，這門課的實踐性很強，能夠幫助學生們將理論和實際結(jié)合，增強學生的動手能力、提高學生工程素養(yǎng)以及創(chuàng)造能力。高校普遍設有工程制造中心用于全校學生的工程實踐教學。目前，我國正在實現(xiàn)由“工業(yè)大國”跨越到“工業(yè)強國”的目標，因此培養(yǎng)具有工程知識、創(chuàng)新意識、以及工程研究改進能力的年輕人才是重中之重。但是，目前國內(nèi)高校的工程訓練課程內(nèi)容主要是鉗、鑄、銑、焊接等傳統(tǒng)制造工藝，在時代的發(fā)展中已經(jīng)漸漸被新的技術取代，無法讓學生學以致用。為了適應高速發(fā)展所帶來的社會需求，讓學生學習了解現(xiàn)代先進制造技術，工程訓練課程應該跟上時代發(fā)展，開設具備現(xiàn)代先進制造技術的實訓內(nèi)容，比如將3D打印技術運用到實訓課程中[1]。

一 3D打印技術簡介

3D打印技術又被稱為快速成型技術，在二十世紀末誕生，一經(jīng)誕生便轟動世界。3D打印技術指依據(jù)計算機設計的三維模型，創(chuàng)建出物體的CAD模型或斷層掃描等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積，快速制造任意復雜形狀三維立體物體的新型數(shù)字化成型技術。相對于傳統(tǒng)的鍛鑄銑鉆等減式成形制造技術，3D打印是一種原料累加制造方法。它作為一種新的現(xiàn)代先進制造技術，它與傳統(tǒng)制造技術最大的不同在于以下兩點：①不需要使用刀具等傳統(tǒng)制造工具，直接通過軟件就能夠快速地制造三維模型。②傳統(tǒng)工程制造工藝是去除材料法，也就是將材料多余的部分用鉗、鑄、銑等方法去掉，只留下有用的部分，從而制作出想要的模型，而3D打印采用的卻是添加材料法，也就是將打印原料不斷地進行堆疊來制造模型[2]。這項技術讓設計和制造更簡單靈活，而且大大的提高了制造速度和成品的精確度，同時還降低了成本以及材料的耗損和浪費。

二 工程訓練中3D打印技術應用教學的模塊設置

（一） 教學目標

通過3D打印的實訓學習，使學生學習3D打印的成形原理、過程、特點、分類以及應用等基本知識，掌握三維建?；静僮鞣椒?，并且能夠熟練使用熔融擠壓成型設備。課程結(jié)束后，要求學生基本掌握3D技術的基礎知識和操作流程，提高學生的動手能力和工程素養(yǎng)，建立現(xiàn)在化先進制造技術的初步認知[3]。

（二） 教學大綱

綜合工程訓練政策要求和學校實際情況，一共設置了八個課時來學習3D打印技術，如表1。

表1 3D打印實訓教學大綱

（三） 教學硬件配備

工程訓練中心3D打印實訓室配備了20臺3D打印機，電腦15臺。另外，還添加了多媒體投影設備來保證教學質(zhì)量。

（四） 師資建設

工程訓練課程配備了多名專業(yè)老師，保證3D打印技術的教學順序進行。由具備3D打印技術高深專業(yè)知識且教學經(jīng)驗豐富的老師領導，其他學習能力和教學能力出眾的老師協(xié)作完成這方面的工程訓練教學。

三 3D打印技術在工程訓練中的應用與實踐

（一） 基礎知識學習

1.3D打印概述。課程第一步是要讓學生們了解3D打印技術的基本知識和基本現(xiàn)狀，以及學習這門課的必要性和意義。包括在學生了解3D打印技術的歷史發(fā)展、應用范圍、就業(yè)前景等，以及學習這門課需要具備的知識和技能和最終的目標。

2.3D打印機的基本結(jié)構(gòu)。3D打印機由電子、機械和軟件三部分組成。電子模塊是其他兩部分的連接機制，主要用來對軟件生成的指令進行存儲，并且控制機械模塊完成這個指令。機械模塊用來完成軟件發(fā)出的打印命令，打印機的大部分結(jié)構(gòu)都是機械模塊。軟件模塊是3D打印機的核心，它用來對要打印的3D模型進行分層處理，分層越多、每層越薄則打印的質(zhì)量和精確度越高[4]。分層結(jié)束之后會生成多個打印的定位交由機械模塊完成。

3.3D打印機的工作原理。3D打印機的打印方式有很多種，比如熔融堆積技術、光固化技術、粉末燒結(jié)技術、選擇性激光熔融等。本次課程采用的是熔融堆積技術（FDM），它首先在需要指定的區(qū)域噴灑一層液滴微小也極易定型的特殊膠水。然后將3D打印材料融化成粉末或者液體后通過預先設定好的位置從打印噴頭擠出，當粉末碰到膠水的時候就會被迅速粘合成型，然后按照這個步驟一層層堆疊起來形成固定樣式的三維模型。打印完畢后，只需要將沒有碰到膠水因此依然保持分散的粉末清除就可以得到模型，被清除的粉末還能再次投入使用。

（二） 實踐技能操作教學

1.3D打印機的三維建模。教學中使用基于Windows用戶界面的Solidworks軟件來構(gòu)建三維模型。這個軟件能夠幫助沒有任何基礎的低年級學生快速入門，提高學習效率。首先教師利用多媒體設備對該軟件進行基礎教學，使學生掌握軟件的用法。第二步是以簡單模型的設計為例，開始教學生繪制三維草圖并且親自示范。繪圖是工程制造技術中非常重要的基礎技能。第三步是老師通過實例來講解實體的建模方式和基本特征，這一步是學習過程中至關重要的一步，學生需要在這個過程中同時掌握理論知識和一部分實踐知識。最后是實踐操作，有老師指定具體模型，學生自己練習建模，以便使學生更好地掌握實體建模的技巧[5]。

2.3D打印機的操作。在正式開始嘗試打印之前，首先需要學會打印機的基本操作。以免操作錯誤導致人身財產(chǎn)受到威脅。

將模型建好后轉(zhuǎn)換成打印機能夠識別的格式，連接軟件與打印機，以便進行數(shù)據(jù)傳輸和打印控制。

通過軟件添加建好的三維模型到打印機上，如果打印盤上出現(xiàn)了添加的模型則說明這一步操作成功。

對打印機進行初始化，這是為了讓打印頭處于坐標軸的起點，以便之后更快地給模型定位。初始化之后，打印機的其他功能就可以正常使用了。

打印前的準備過程中，可以通過軟件對建立的三維模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、自動擺放等操作，以便控制模型的大小方向等。還可以對模型的其他參數(shù)比如分層厚度、原料種類等進行設置。

上述步驟操作完成之后即開始打印，打印機自動堆疊原料完成打印。打印完成之后將模型取出，即打印成功。

（三） 創(chuàng)新能力實踐

1.產(chǎn)品設計。在學習了之前的基礎知識并上手實踐了3D打印之后，學生還需要進行創(chuàng)新實踐。這一階段要求每個學生自行進行創(chuàng)新設計，并獨立完成構(gòu)思、繪圖、建模、準備、打印等一系列操作，最終完成打印。且打印時間不超過三小時。在這個過程中老師會在現(xiàn)場進行巡視檢查，并且在學生有問題時進行一定程度的指導。

2.作品的展示及考核。所有學生都完成打印之后，在教室進行統(tǒng)一的展示，并且由老師對作品進行評估考核。同時，老師需要對每個學生的作品進行評價，指出優(yōu)缺點并給出修改建議等，幫助學生揚長避短、查漏補缺，更好掌握3D打印技術，加深對工程制造的認識。

四 工程訓練中3D打印技術實訓教學方法

根據(jù)工程訓練教學大綱的指導，結(jié)合學生的實際情況，老師需要制定一套有別于純理論知識教學的教學方法，幫助學生在認知階段和實踐創(chuàng)新階段過程中更好地掌握3D打印的基本技術，提高學生的工程制造水平。

（一） 認知階段

工程訓練主要針對大一、大二等沒有什么工程實訓基礎的學生，他們對3D打印技術也知之甚少，因此任課老師需要先利用多媒體等設備讓學生了解3D打印技術的發(fā)展歷史及其應用，特別是3D打印作為一種新興的現(xiàn)代先進工程制造技術與傳統(tǒng)制造方式的區(qū)別。兩外，在實踐之前還必須讓學生掌握3D打印的幾種主要打印方式以及他們的特點，使學生對這種技術形成初步的認知。

認知階段還有一個重要使命就是做好實踐前的準備，包括知識儲備和操作流程學習。教師需要為學生講解三維建模軟件的使用，繪圖及建模方式、打印機的操作流程及注意事項等，并進行一些親身示范，幫助學生加深記憶[6]。直到學生們基本都能建立起簡單的三維立體模型，才能進入到創(chuàng)新實踐階段。

（二） 創(chuàng)新實踐階段

實踐階段運用“設計制造型課程教學”模式，鼓勵學生獨立設計、打印三維模型。將學生分成小組，進行探討、分析、合作來完成設計打印過程。打印結(jié)束后可以將不同小組的作品進行對比分析，由學生們自由討論、評價、提出修改意見等。這種教學方式有別于傳統(tǒng)教學，老師只是在適當?shù)臅r候提供一些適當?shù)膸椭?，其余則全由學生自由發(fā)揮。學生在這個過程中不僅體驗和學習了3D打印技術，更鍛煉了團隊溝通合作能力、創(chuàng)新能力、獨立思考能力、動手實踐能力等[7]。且這樣的教學方法可以極大地提高學生的學習興趣，從而更加高效的進行工程訓練。

五 工程訓練中應用3D打印技術的意義

3D打印技術作為目前一種引起廣泛關注的熱門打印技術，是科技發(fā)展的必然趨勢。而作為為國家和社會培養(yǎng)人才的高校，跟上時代科技發(fā)展的腳步、引入最新型的科技和文化是高校不可推卸的責任。在工程訓練中應用3D打印技術，可以讓學子們系統(tǒng)、深入地了解這門被應用于各種領域的技術，了解工程制造技術對于國家和社會建設的重要性。并且讓學生們在這個過程中體會到科技的永恒和偉大。

同時，將3D打印應用到工程訓練中，可以讓很多對這門技術感興趣卻沒有機會接觸的學生們親身實踐和創(chuàng)新，為廣大有創(chuàng)新想法和科技頭腦的年輕人們提供技術幫助和設備支持。還可以提供更好地平臺比如全國大學生工程制造競賽、科技創(chuàng)新活動等供學生鍛煉自身的能力。而這些，正是高校傳承百年的使命[8]。

六 結(jié)語

工程訓練課程是理工科高校學生重要的實踐教學環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)國外各個高校都正在推廣3D打印技術，也越來越受到教師和學生的重視。而在工程訓練教學中引入3D打印技術教學模塊可以讓學生了解前沿先進制造技術；同時還能將3D打印實踐競賽、創(chuàng)新活動等相結(jié)合以豐富教學內(nèi)容，提高學生學習興趣和成就感。