探索3D 打印技術與三維建模軟件課程交叉融合式教學

■羅澄清

（太原城市職業(yè)技術學院，山西 太原 030027）

在這個日新月異的年代，不知不覺間，我們已經(jīng)經(jīng)歷了“工業(yè)1.0”—“工業(yè)4.0”的發(fā)展歷程，甚至2018 年由丹麥優(yōu)傲機器人又提出即將到來的“工業(yè)5.0”；2013年4 月德國正式發(fā)布了的《工業(yè)4.0 戰(zhàn)略實施建議書》，在建議書中首次提到了“工業(yè)4.0”的概念，至此后“工業(yè)4.0”的概念傳遍全球?！肮I(yè)4.0”被稱作是“第四次工業(yè)革命”。這一輪工業(yè)革命是以智能制造為核心的，而其九大技術支柱包括有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)機器人、3D 打印、知識工作自動化、工業(yè)網(wǎng)絡安全、虛擬現(xiàn)實、人工智能。在2015 年8 月，總理李克強在國務院先進制造與3D 打印專題講座上指出：“3D 打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術，實現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，具有重大價值?！?D 打印作為制造業(yè)一種熱門新型技術，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)升級轉型提供了巨大契機，成為制造業(yè)發(fā)展的一個方向。國家工信部等十二部門印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017—2020 年)》的通知中也明確提出“3D 打印+創(chuàng)新教育”實施學校增材制造技術普及工程，要鼓勵增材制造技術在教育領域的推廣。在中小學.職業(yè)院校等開展增材制造科普教育,開展增材制造設計、技能大賽等活動[1]。國務院發(fā)布的《中國制造2025》明確提出“推動3D 打印等智能制造領域取得新突破，全面提升制造業(yè)的水平和能力”[2]。作為裝備制造大類的專業(yè)，在相關專業(yè)教學中讓學生了解學習3D 打印技術還是非常有必要的。

一、3D 打印技術概述

3D 打印的材料范圍很廣，從熱熔型材料如高分子材料PLA、ABS 塑料、鑄蠟等到石膏粉末、陶瓷粉末等非金屬材料，當然還有鋼鐵、鋁合金、鈦合金、高溫合金等金屬粉末材料、生物材料甚至是生命材料生物細胞，據(jù)相關報道有科學家在研究3D 打印土壤用于種植植物，并取得了突破性進展;3D 打印成型的尺寸從也從微納米元器件到10 米以上大型航空結構件, 應用范圍非常廣，也將是制造業(yè)發(fā)展的一個新方向。

（一）3D 打印技術

我們傳統(tǒng)的打印機指是利用打印機把由電腦設計的平面作品采用激光或噴墨的方式呈現(xiàn)出來，其實3D打印機和傳統(tǒng)的打印機工作原理是基本相似的，只不過是實施打印材料的不一樣，傳統(tǒng)的打印機所使用的打印材料是墨粉與紙張，而3D 打印機的材料是比較廣的，既可以是高分子材料塑料、陶瓷粉末等非金屬，還可以是鋼、鐵、高溫合金、鋁合金等各式金屬材料，以及光敏樹脂、高分子粉末等復合材料[3]、生物材料甚至是生命材料。利用切片技術將實體模型處理好后加載在打印機上，通過打印機程序控制把“打印材料”依據(jù)文件位置堆疊起來，將電腦上構建的模型通過3D 打印轉變成實際物體。簡單地來說，3D 打印機是一種將構建的三維實體模型“打印”出來的一種先進的制造設備，我們可以通過3D 打印技術打印機器人、打印機械設備零件，打印建筑物實體，打印身體器官，打印服裝，打印食物等等，幾乎涵蓋了我們的衣食住行每個行業(yè)。我們稱其為“打印機”，主要原因是其分層加工的過程與我們傳統(tǒng)的噴墨打印機原理非常相似。

3D 打印的概念最初是起源于美國，最早可以追溯到19 世紀80 年代，當時科技人員在研究照相雕塑及地貌成形方面，總覺得在維度方面的表達不完善，于是研究人員開始衍生出用3D 打印技術表達地形的思想。到20 世紀80 年代中期，美國得克薩斯州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard 博士于1989 年提出了選擇性激光燒結（SLS）[4]工藝并獲得專利，在發(fā)現(xiàn)商機后美國的DTM 公司于1992 年推出了SLS 工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設備。到1995 年，美國麻省理工學院正式提出了“三維打印”一詞，當時麻省理工學院的畢業(yè)生Jim Bredt 和Tim Anderson 修改了傳統(tǒng)噴墨打印機方案，把傳統(tǒng)打印把墨水擠壓在紙張上的方案改為將約束溶劑變?yōu)閿D壓到粉末狀的解決方案。這也就是3D 打印的雛形。20 世紀90 年代初,美國學者查克赫爾提出了光固化3D 成型技術,此技術也被稱為立體光刻技術，三年后,第一臺商業(yè)領域的同類3D 打印機面世[5],隨著3D 打印技術的日趨成熟發(fā)展，3D 的打印的發(fā)展方向也向延伸向各個行業(yè)領域，在2012 年,奧地利學者研制出了高精度3D 打印機,成功打印出了精度等級0.3 mm 的賽車模型,3D 打印設備的精度得到質(zhì)的提升；同在2012 年,蘇格蘭的學者完成了第一例利用3D 打印技術打印的人造肝臟組織[6]。2019 年,由3D 打印的人體骨骼組織、心臟器官等人體組織器官也面世并逐步發(fā)展到臨床實踐[7]。

（二）我國3D 打印技術的發(fā)展

我國對3D 打印技術的研究工作始于20 世紀90 年代。最先由清華大學、西安交通大學等多所大學和科研機構率先開始研究3D 打印技術。

1995 年我國成功研制出第一臺激光快速成型機；到2000 年我國已經(jīng)初步實現(xiàn)了3D 打印設備的產(chǎn)業(yè)化；2005 年我國實現(xiàn)了三種激光快速成型鈦合金結構件在兩種飛機上的裝機應用，而此也使我國成為了世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速成型裝機應用技術的國家。2007 年國內(nèi)第一臺商用化大型金屬3D 打印設備研制成功。2017 年首臺高通量集成化生物3D 打印機在浙江杭州發(fā)布。

現(xiàn)今3D 打印已經(jīng)應用到了我國航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化、精準醫(yī)療、文化創(chuàng)意等多個行業(yè)領域。我國已將3D 打印成功應用于飛機起落架這類高負荷承力件；中國首枚火星探測器“天問一號”的運載火箭發(fā)動機上，許多零件就是由3D 打印制造而成的。而且作為一種短流程的新型制造技術，3D 打印技術在抗擊新冠肺炎疫情戰(zhàn)中也發(fā)揮了非常積極的作用，像由3D 打印生產(chǎn)的醫(yī)療方艙、護目鏡、呼吸閥等。

經(jīng)過近40 年發(fā)展，3D 打印技術也已經(jīng)由最初的原型制造逐漸向直接制造、批量化制造方向的發(fā)展；從形狀控制的模型模具制造，發(fā)展到形性兼具結構功能一體的組件制造；打印范圍擴展到從微納米尺度的功能元器件到數(shù)十米大小的民用建筑物打印，3D 打印的發(fā)展突飛猛進；3D 打印作為一項變革性技術，成為我們先進制造中的一項有力的工具，也成為了智能制造不可分割的重要組成部分。

二、三維建模軟件課程教學特點

（一）三維軟件SolidWorks 概述

目前機械設計領域常用CAD 建模軟件較多，在高校教學應用中的三維軟件有UG、Pro/E、CATIA、Solid-Works 等；這些軟件各有所長，建模軟件SolidWorks 是美國SolidWorks 公司開發(fā)的一款基于Windows 系統(tǒng)的三維CAD 產(chǎn)品，數(shù)字化設計的造型軟件，它采用參數(shù)化建模技術，能實現(xiàn)各種復雜實體模型的構建。由于其技術創(chuàng)新、功能強大和簡單易學等技術創(chuàng)新點,是初學者入門學習容易掌握上手的一款三維CAD 軟件[9]。

SolidWorks 軟件是一個以設計功能為主的CAD/CAM/CAE 的大型軟件，在國際上應用非常廣泛，軟件還具有開放系統(tǒng)，在填加插件后。還可實現(xiàn)機械產(chǎn)品的三維建模、組裝配合及校驗、運動分析仿真、有限元分析、數(shù)控加工工藝的制定等，功能非常強大。學生在學校掌握了該軟件，有助于以后從事機械設計及制造行業(yè)，我校機電專業(yè)學生在第二學年第二學期開設本課程，目的是讓學生通過該軟件的學習掌握基礎的三維建模的基本技能。

（二）現(xiàn)有的SolidWorks 課程教學

SolidWorks 課程是一門實踐性非常強的課程，課程注重的是培養(yǎng)學生的動手能力。所以對于課程的教學我們采用了項目式、任務式驅動的教學法，授課中具體的教學流程是：按照軟件的操作命令由簡到易，構建一定的包含部分操作命令的項目，依據(jù)項目規(guī)劃一定數(shù)量的任務；每次講授時先由老師提出任務，再由老師講解用到的功能指令，教師按照任務實例進行操作演示；在演示的過程中學生有問題疑惑可以隨時提問及時解決；演示完成后，讓學生按照老師的演示將任務實例練習完成。按照這個教學流程大部分學生能完成任務，模仿老師作出實例，但這種模式的教學，雖然目的明確但學生主動性還是比較差，尤其在后期如果碰到需要獨立完成的造型模型時，學生會有一些難以下手的問題。另外任務過難的時候，學生還會有畏難情緒，產(chǎn)生逃避心理，影響學習積極性，任務簡單的時候，學生又會有輕視情緒，完成任務時無法獲得想要得成就感。

（三）學生應用SolidWorks 特點

在本課程的教學中發(fā)現(xiàn)：大部分學生在開始學習本課程時非常有信心，很感興趣，但是隨著學習的深入，命令繁瑣難度提高加之缺乏課后練習拓展，導致應用實踐能力低下。由于學生主要只在課堂上進行學習及練習，課后基本不再練習應用，而對于SolidWorks 這種實踐操作類課程如果不練習就很容易遺忘生疏，而一旦生疏學生就會有挫敗感從而影響學習積極性。

三、3D 打印與SolidWorks 課程交叉融合式教學

3D 打印作為新型制造方式，可以將數(shù)字化設計的模型快速制成為實物，得以驗證設計方案的可行性，這種模式非常有助于實現(xiàn)創(chuàng)新設計[8]。在高職院校機械制造類課程中，利用3D 打印技術能夠提高工程訓練項目的真實性、教育性和創(chuàng)新性。所以作者探索將3D 打印技術與三維建模軟件課程結合起來開展課程交叉融合式教學。

在SolidWorks 課程教學中，講究“學做一體”，本課程是安排在了學生學習了機械制圖和ATUOCAD 等課程后具備了一定的識圖繪圖能力，變換教學方法，在課程中利用3D打印技術輔助SolidWorks 教學，真正地實現(xiàn)所見即所得，由教師為主體的灌輸式教學，轉換為學生為主體，讓學生主動地去做，充分調(diào)動學習的積極性。

例如在實體造型中拉伸、圓角等命令的應用，選擇肥皂盒為例的建模，先給學生展示了3D 打印好的肥皂盒成品，引起學生的興趣，引導學生怎么去建對應的模型，將要用到那些指令，導出造型并最后完成輔助Solid-Works 教學，最后可以將自己完成的模型打印出來。

肥皂盒制造過程：打開SolidWorks 軟件；

第一步選擇新建單一的零件模型；

第二步選擇合適的基準面進入草圖繪制繪制如圖1 的平面草圖；

圖1 肥皂盒造型建模過程

第三步對草圖1 進行拉伸,合理設置相應參數(shù),做出肥皂盒雛形；

第四步對實體的棱邊倒圓角；

第五步對實體進行抽殼得到一個薄壁容器；

第六步建基準面做支撐腿；

第七步做瀝水槽形狀準備拉伸切除；

第八步拉伸切除做瀝水槽；

第九步可以在盒體上自由發(fā)揮做一些個性化的裝飾，最終完成肥皂盒的三維建模。

最后建好肥皂盒模型后，給學生介紹3D 打印技術，并就目前任務中的知識點進行教學，然后讓學生自己動手操作機器打印建好的模型。具體步驟：導出為stl 格式文件；利用Cura 切片軟件設置對應的參數(shù)進行處理，導出處理文件；最后套試運行3D 打印機，打印完成制作出設計的模型產(chǎn)品。

在整個應用過程中學生可以快速的掌握SolidWorks軟件中拉伸、圓角、設置基準面、拉伸切除等相關命令的操作應用。由于帶有任務性，學生急于見到自己親手設計制作的成品，所以相當積極踴躍。

當然由于在軟件實際操作中學生的思路和接受能力的差別，完成任務的時間也不盡相同，所以可以在布置任務時給個范圍，基本任務完成后，能力強的學生可以發(fā)揮想象進行擴展創(chuàng)作，這樣可以激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，例如上述肥皂盒制造，學生可以進行后期創(chuàng)新，例如，在側面加上自己的班級姓名，或者加一些裝飾的花紋線條，在打印出成品后不是千篇一律，而是獨一無二的個人創(chuàng)作。事實證明學生的創(chuàng)新能力還是很值得期待的，實際反饋效果良好，如圖2 所示為學生自己改良后的肥皂盒模型。

圖2 改良后的肥皂盒模型

四、結語

專業(yè)課程教學應該緊跟行業(yè)的發(fā)展動態(tài)，應該積極改變傳統(tǒng)的教學思路和教學方法，本次課程改革探索通過將3D 打印與三維實體建模結合的課程交叉融合式教學，實施后發(fā)現(xiàn)此模式教學大大提高學生學習的積極性、主動性，激發(fā)學生的創(chuàng)造創(chuàng)新能力，同時也讓學生在課程學習中，發(fā)現(xiàn)、挖掘自己的興趣和潛能，培養(yǎng)了學生自主學習、團隊合作的素養(yǎng)。在產(chǎn)品設計建模后利用3D打印將學生的設計模型直接變?yōu)閷嶋H物品，通過實物驗證，發(fā)現(xiàn)問題再改進，再設計創(chuàng)新，此環(huán)節(jié)可以重復，也就模擬了實際中機械設計創(chuàng)新的整個流程，既高效的完成課程內(nèi)容的掌握，又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新創(chuàng)意能力。

此次采用課程融合與學用合一的組合的教學模式為學生提供多元素的學習實踐環(huán)境，通過課堂改革讓學生可以將所學知識運用到實踐應用中，增強了學生解決生產(chǎn)生活中實際問題的能力，助力學生成為復合型、應用型的高素質(zhì)技能型人才。