3D 打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程中的應(yīng)用

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部 李揚(yáng)

隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展和普及，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注。通過(guò)引入3D 打印技術(shù)，可以獲得更加實(shí)踐性和直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并培養(yǎng)創(chuàng)新、合作和問(wèn)題解決能力。在課堂中，可以通過(guò)3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制作物品模型，加深對(duì)物理、數(shù)學(xué)、工程等學(xué)科知識(shí)的理解和應(yīng)用。3D 打印技術(shù)在教育領(lǐng)域有著廣闊的前景和潛力，可以提供更加實(shí)踐性、創(chuàng)新性和多樣性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)其綜合能力的發(fā)展和提高。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的崛起，計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)深入到人類社會(huì)的科學(xué)研究、工作學(xué)習(xí)、日常生活等方方面面，隨之而來(lái)的是計(jì)算機(jī)硬件組裝維護(hù)的應(yīng)用也愈加重要。作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的從業(yè)者和使用者，正確判斷計(jì)算機(jī)的硬件故障并及時(shí)進(jìn)行維修、維護(hù)，對(duì)保障科學(xué)研究、工作學(xué)習(xí)、日常生活的正常、高效運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)是一門(mén)對(duì)動(dòng)手能力要求較高的課程，需要學(xué)習(xí)者投入大量的時(shí)間開(kāi)展實(shí)際操作訓(xùn)練。如果只通過(guò)有限的教材、視頻資料等指導(dǎo)知識(shí)的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中僅僅掌握了理論知識(shí)，擁有的技能也只能維持在“拆”和“裝”兩個(gè)維度，自身解決實(shí)際問(wèn)題的能力也沒(méi)有得到有效提高，課程的教學(xué)質(zhì)量難以達(dá)到預(yù)期效果。上述問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重束縛了計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程的建設(shè)和發(fā)展[1]。針對(duì)課程的實(shí)際需求，引入3D 打印技術(shù)，可以深入、形象、動(dòng)態(tài)掌握計(jì)算機(jī)主機(jī)部件結(jié)構(gòu)，以虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)效果的大幅提升。

1 3D 打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程中的困難

（1）計(jì)算機(jī)硬件組裝實(shí)驗(yàn)課程教具有限，課程中動(dòng)手實(shí)操機(jī)會(huì)不多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品行業(yè)飛速發(fā)展，這讓計(jì)算機(jī)硬件成本得以大幅下降。然而，即便是一臺(tái)主流配置的電腦，其價(jià)格仍然高達(dá)4000 元左右。由于在實(shí)驗(yàn)課時(shí)需要節(jié)約成本，他們常常將自己分組成5 ～8人，共用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行拆裝。然而，這種實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件往往會(huì)錯(cuò)失接觸每個(gè)部件的機(jī)會(huì)，難以熟悉每個(gè)零件的具體裝配方式，從而導(dǎo)致教學(xué)效果嚴(yán)重受損。

（2）計(jì)算機(jī)硬件組裝實(shí)驗(yàn)課程教具陳舊，內(nèi)部組件與主流配置完全不同。由于組裝實(shí)驗(yàn)室的成本投入問(wèn)題，學(xué)校經(jīng)常會(huì)將性能落后或即將淘汰但仍然可以正常使用的計(jì)算機(jī)用于組裝實(shí)驗(yàn)室供拆解和組裝。然而，這些老舊的計(jì)算機(jī)的內(nèi)部組件與主流配置的設(shè)備在接口和造型上完全不一樣，這導(dǎo)致學(xué)生在一堆“古董”設(shè)備里操作時(shí)與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)。

（3）計(jì)算機(jī)組件反復(fù)拆裝容易損壞。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種組件都屬于精密儀器，通常由金屬、PCB 電路板、塑料和橡膠等材質(zhì)組成。然而，這些組件的設(shè)計(jì)初衷并非為了堅(jiān)固耐用，因此在實(shí)訓(xùn)操作中經(jīng)常進(jìn)行反復(fù)的拆裝、插拔，容易導(dǎo)致組件的接口、芯片損壞。此外，計(jì)算機(jī)部件屬于精密電子產(chǎn)品，因此過(guò)度觸碰和不規(guī)范的操作往往會(huì)因?yàn)殪o電導(dǎo)致設(shè)備損壞。

（4）計(jì)算機(jī)組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺乏完整的演示。隨著電子制造業(yè)的不斷升級(jí)，計(jì)算機(jī)組件的整合度越來(lái)越高，其完整性和穩(wěn)定性也越來(lái)越強(qiáng)。許多部件采用了一次封裝的設(shè)計(jì)，使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以完整地展示，在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)時(shí)，也只能看到組件的外部形狀，而難以理解內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)。即使通過(guò)圖片、視頻等方式的拆解，也很難直觀地、完整地反映部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。這種情況下，教師可以通過(guò)其他途徑來(lái)幫助更好地理解計(jì)算機(jī)組件。例如，模型演示、虛擬仿真等方式，更深入地了解各個(gè)部件的工作原理和組成結(jié)構(gòu)。

（5）提升計(jì)算機(jī)外設(shè)易損部件的維修能力，實(shí)現(xiàn)易損部件的再制造過(guò)程。除了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，計(jì)算機(jī)外設(shè)中還有很多其他易損部件，比如，耳機(jī)、攝像頭、揚(yáng)聲器等。這些部件往往需要耗費(fèi)一定的成本進(jìn)行維修或更換，但通過(guò)3D 打印技術(shù)，可以制造出精準(zhǔn)的替代零部件，降低維修和更換的成本，并且更加環(huán)保。此外，通過(guò)學(xué)習(xí)和應(yīng)用3D 打印技術(shù)，不僅可以培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，還可以讓他們更好地了解計(jì)算機(jī)硬件的構(gòu)成和工作原理，從而做到內(nèi)外兼修。

2 3D 打印技術(shù)引入計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程的思考

3D 打印是一種可以將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)的、具有立體感的物體，實(shí)現(xiàn)從想象到實(shí)物的無(wú)縫銜接的技術(shù)。通過(guò)分層打印的技術(shù)，3D 打印機(jī)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)制造出一個(gè)完整的模型，無(wú)論是簡(jiǎn)單的立方體還是復(fù)雜的人體器官。這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、建筑、汽車(chē)、工業(yè)設(shè)計(jì)和藝術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了它的無(wú)限潛力。設(shè)計(jì)師們可以通過(guò)3D 打印技術(shù)來(lái)制造原型，快速迭代和改進(jìn)產(chǎn)品，從而大大提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。盡管3D 打印技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服。比如，3D 打印機(jī)的速度仍然比傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法要慢，而且材料的選擇和質(zhì)量也需要不斷改進(jìn)。

3D 打印技術(shù)的總體過(guò)程是一個(gè)高度精細(xì)的過(guò)程，需要先進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模。在完成三維設(shè)計(jì)模型后，使用專用的分層軟件對(duì)模型進(jìn)行切片，將模型切分成許多薄片，每一層的切片數(shù)據(jù)都被準(zhǔn)確地傳輸?shù)?D 打印機(jī)中，指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。在打印過(guò)程中，打印機(jī)會(huì)根據(jù)每層的切片數(shù)據(jù)，將打印材料準(zhǔn)確地堆疊在一起，逐漸構(gòu)建出完整的三維物體，最終實(shí)現(xiàn)部件1:1 的具化模型。同時(shí)，3D 打印技術(shù)還可以創(chuàng)造需要修補(bǔ)的部件，通過(guò)修補(bǔ)設(shè)計(jì)模型，再進(jìn)行分層切片，最終實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)后的部件打印。整個(gè)過(guò)程高度自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率和精度。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及市場(chǎng)的擴(kuò)大，3D 打印機(jī)及其使用成本也在快速的下降。除了早期應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶等高精尖行業(yè)，如今3D 打印技術(shù)在服裝、制鞋、建筑、影視、醫(yī)療等民用行業(yè)也得到前所未有的應(yīng)用，逐漸取代了傳統(tǒng)手工制造實(shí)體模型的工藝，同時(shí)可以制造更加復(fù)雜和完整的實(shí)體模型[2]。3D 打印技術(shù)是一項(xiàng)具有重大意義的技術(shù)，它為我們帶來(lái)了無(wú)限的想象空間和創(chuàng)造力。

3 3D 打印技術(shù)引入計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程的實(shí)踐

目前，市場(chǎng)上3D 打印技術(shù)種類繁多，而且3D 打印設(shè)備在尺寸、精度和成本上差距較大。根據(jù)高校教學(xué)資源的實(shí)際情況我們嘗試以下打印技術(shù)。

3.1 FDM 熔融沉積成型3D 打印技術(shù)

FDM 熔融沉積成型技術(shù)是一種常見(jiàn)的3D 打印技術(shù)，也是3D 打印中最常用的技術(shù)之一。該技術(shù)的原理是將一個(gè)細(xì)絲材料（通常是塑料）加熱軟化，然后通過(guò)一根可控的噴嘴按照一定路徑依次擠出并沉積，形成一個(gè)三維的物體。在3D 打印過(guò)程中，控制3D 打印機(jī)噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡和溫度，將熔化的塑料擠出到特定位置，然后通過(guò)降溫固化，最終形成一個(gè)完整的物體。這一過(guò)程的控制和精度通常由3D 打印機(jī)的軟件進(jìn)行管理，根據(jù)所需的設(shè)計(jì)來(lái)精確控制擠出頭的移動(dòng)和材料的沉積。

3.2 SLA 光固化快速成型3D 打印技術(shù)

SLA 光固化快速成型3D 打印技術(shù)是一種高精度的3D 打印方法，其工作原理基于紫外線光固化液體光敏樹(shù)脂的原理。在SLA 打印過(guò)程中，首先選擇一種光敏樹(shù)脂作為3D 模型的原材料，這種樹(shù)脂是液態(tài)的并對(duì)紫外線光敏感。打印過(guò)程始于一個(gè)可上下移動(dòng)的構(gòu)建平臺(tái)，通常位于裝有液體樹(shù)脂的槽中。底部的光源通常采用紫外線激光或LED 光源，發(fā)射特定波長(zhǎng)的紫外線光線。當(dāng)光源照射在液態(tài)樹(shù)脂表面時(shí)，樹(shù)脂會(huì)發(fā)生光化學(xué)固化反應(yīng)，從液態(tài)逐漸變成堅(jiān)固的固態(tài)，這一層固化后，構(gòu)建平臺(tái)會(huì)下降一小步，以準(zhǔn)備進(jìn)行下一層的固化，這個(gè)層疊沉積的過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)，直到整個(gè)3D 模型完成。在某些情況下，為了支撐懸空的部分或者確保特定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要添加支撐結(jié)構(gòu)，這些支撐結(jié)構(gòu)通常由相同的光敏樹(shù)脂構(gòu)建，并在模型完成后一同固化。完成3D 打印后，模型通常需要經(jīng)過(guò)冷卻和后處理，例如，洗滌以去除未固化的樹(shù)脂，以及通過(guò)紫外線曝曬來(lái)進(jìn)一步硬化和加固模型。

根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程中的相關(guān)內(nèi)容，首先確定需要打印的計(jì)算機(jī)部件，經(jīng)過(guò)拆解了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再使用3D 繪圖軟件繪制所有零件生成3D 精密模型。也可以使用3D 掃描設(shè)備采集每個(gè)零件的3D 數(shù)據(jù)，直接生成為3D 模型后再進(jìn)行手工修正達(dá)到打印精度[3]。這一過(guò)程能夠親自動(dòng)手制作虛擬部件，掌握每一個(gè)部件的組成樣式，在虛擬環(huán)境中充分掌握計(jì)算機(jī)部件內(nèi)外組成結(jié)構(gòu)。隨后通過(guò)3D 精密模型打印專用切片軟件生成切片數(shù)據(jù)，切片軟件可以根據(jù)具體零件的造型及用途設(shè)置打印速度、出料速度、回抽速度、打印溫度和擠出寬度等數(shù)據(jù)。正確的切片數(shù)據(jù)設(shè)置不但能成功地完成打印任務(wù)，同時(shí)也可以提高打印精度，使打印實(shí)物結(jié)構(gòu)夯實(shí)、表面光滑、組合流暢。最后將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 打印機(jī)，設(shè)置好打印機(jī)自身數(shù)據(jù)通過(guò)切片數(shù)據(jù)順利完成打印任務(wù)。通過(guò)以上步驟完成從繪制3D 模型到打印實(shí)物模型，由內(nèi)而外地掌握計(jì)算機(jī)每個(gè)部件，非常有助于掌握計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的物理特征。3D 打印的即時(shí)性、快捷性可以保證呈現(xiàn)出最新的計(jì)算機(jī)硬件數(shù)據(jù)及模型。同時(shí)還可以自己設(shè)計(jì)、打印一些計(jì)算機(jī)易損零件用于修補(bǔ)，比如鍵盤(pán)帽、鼠標(biāo)按鍵、耳機(jī)掛架等。將計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程提升到能夠設(shè)計(jì)和制造的新緯度。

4 3D 打印技術(shù)在引用過(guò)程中首要解決的問(wèn)題

4.1 如何高效創(chuàng)建精準(zhǔn)的3D 建模？

在計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程中，學(xué)生首先需要對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部組件進(jìn)行拆解分析，掌握零件具體構(gòu)造。然后通過(guò)3D 制作軟件繪制計(jì)算機(jī)組件的精密3D 模型，如Autodesk Fusion 360、SolidWorks、Blender、Tinkercad 等，以便能夠創(chuàng)建復(fù)雜的3D 模型并進(jìn)行精確控制。通過(guò)參數(shù)化建模，可以在模型中輕松更改尺寸和形狀，可以提高建模的靈活性和效率。為了達(dá)到更高的像真度甚至需要拆解部件，針對(duì)每一個(gè)零件繪制，最后組裝完成。同時(shí)也可以通過(guò)3D 掃描技術(shù)快速捕捉計(jì)算機(jī)部件的幾何形狀和表面細(xì)節(jié)。比如，激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描或攝影測(cè)量，以獲得高精度的3D 數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)后通常需要專業(yè)的建模軟件來(lái)去除噪音、填補(bǔ)孔洞、優(yōu)化模型的幾何結(jié)構(gòu)等。

4.2 如何設(shè)置3D 打印模型切片的參數(shù)？

學(xué)生能夠掌握對(duì)3D 模型進(jìn)行切片的能力和打印時(shí)切片數(shù)據(jù)的正確設(shè)置。切片軟件是將3D 數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成3D 打印機(jī)可以識(shí)別的可打印代碼，讓3D 打印機(jī)發(fā)出打印指令的3D 軟件。切片軟件是3D 打印的必備工具。它可以將STL 等格式的3D 模型切片成水平層，生成一系列2D 圖像，3D 打印機(jī)可以理解并用來(lái)逐層構(gòu)建物體。該軟件還可以計(jì)算打印所需的耗材量和估計(jì)打印時(shí)間。然后將信息保存在G-code 文件中，并發(fā)送到用戶的3D打印機(jī)進(jìn)行打印。實(shí)質(zhì)上，切片軟件充當(dāng)了一個(gè)翻譯器的角色，將3D 數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為3D 打印機(jī)可讀的代碼。

在進(jìn)行3D 打印之前，需要將數(shù)字化的3D 模型轉(zhuǎn)換成打印機(jī)能夠理解的代碼，這就是切片軟件的重要作用。它可以根據(jù)我們選擇的設(shè)置，將3D 模型分層并轉(zhuǎn)化為2D圖像，以便3D 打印機(jī)逐層逐層地構(gòu)建物體[4]。在這個(gè)過(guò)程中，切片軟件不僅要計(jì)算出所需的耗材數(shù)量和打印時(shí)間，還要對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最佳的打印效果。其中，層高參數(shù)可以影響打印物體表面的光滑程度，我們可以根據(jù)所需的打印精度和打印時(shí)間來(lái)選擇最適合的層高。外殼厚度和填充密度參數(shù)可以影響打印成品的強(qiáng)度和重量，也可以根據(jù)打印物體的用途和要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整。打印速度參數(shù)則涉及到擠出機(jī)在擠出耗材時(shí)的速度，需要平衡速度和打印質(zhì)量之間的關(guān)系，以確保打印出來(lái)的成品不會(huì)出現(xiàn)失真或者表面不光滑的情況?？傊?，切片軟件是實(shí)現(xiàn)3D 打印的關(guān)鍵之一，通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的打印效果[5]。

4.3 如何選擇3D 打印材料

學(xué)生能夠根據(jù)打印目標(biāo)的形狀、用途、顏色而選擇不同材料，從而就得考慮成本、外觀光滑度、尺寸精度、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、工作環(huán)境以及特殊功能性要求等因素。盡管有種種因素，不過(guò)基于模型的制作目的，大致可分為三類：外觀驗(yàn)證模型、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型和功能展示模型[6]。因?yàn)閮H是作為展示和模擬的部件，所以對(duì)成品的力學(xué)強(qiáng)度要求不高，因而我們盡可能地選擇打印精度高、尺寸準(zhǔn)、外觀細(xì)膩的打印材料。

4.4 如何修正3D 打印物件

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)需求可將3D 打印出的實(shí)物表面和縫隙處容易出現(xiàn)的誤差和拉絲，使用筆刀、鋼銼、砂紙對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行修正和打磨手工修正，確保表面平整外形精確。

5 結(jié)語(yǔ)

3D 打印技術(shù)通過(guò)對(duì)物件設(shè)計(jì)靈活、打印種類豐富、打印成本低廉、物件可復(fù)制性高、對(duì)時(shí)間空間要求較低，為計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程提供各類教具和修補(bǔ)零件。其本質(zhì)依舊是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將原來(lái)看得見(jiàn)摸不著的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)變革為看得見(jiàn)也摸得著的技術(shù)，突破了原來(lái)只能在計(jì)算機(jī)屏幕里的虛擬而成為學(xué)生們手中的現(xiàn)實(shí)。學(xué)生經(jīng)過(guò)繪制、制造最后組裝的過(guò)程能夠更加全面、細(xì)致地掌握這門(mén)課程的相關(guān)知識(shí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中也能做到事倍功半。3D 打印技術(shù)在教育行業(yè)尤其是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)略顯薄弱，依靠國(guó)內(nèi)成熟的3D 打印軟硬件技術(shù)及打印材料在計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)課程中具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用空間。

引用

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