3D打印技術在大學生機械創新設計大賽中的應用

謝立娟 韓百強 梁鵬霄 張棟梁

（河北農業大學，河北 保定 071001）

3D打印技術在大學生機械創新設計大賽中的應用

謝立娟 韓百強 梁鵬霄 張棟梁

（河北農業大學，河北 保定 071001）

與傳統的工業相比，3D打印技術具有快速成型、生產率高、成本低的優勢。將3D打印應用于全國大學生機械創新設計大賽中，不但能提高制作作品的效率，降低機械工具帶來的傷害，減少成本，使結構復雜的作品變得簡單化，而且能拓展學生思維，提升學生對制圖軟件的學習效果，提高大學生科技創新能力。基于此，闡述全國大學生機械創新設計大賽與3D打印技術的概念，探究3D打印技術在大賽中的應用現狀及優勢，分析3D打印技術給大賽帶來的挑戰及思考。

機械創新設計大賽；3D打印技術；優勢；挑戰

3D打印是近年來逐漸興起的熱門領域，在國內外以星火燎原之勢迅速發展［1］。目前，國內外許多學校將3D打印與課程相結合，呈現出一種新的教學方式，推動教學創新。學校建立3D打印實驗室為學生提供實踐平臺。但3D打印在大學生創新比賽中應用較少。在第七屆全國大學生機械創新設計大賽河北賽區預賽中，有部分參賽作品使用了3D打印技術。這些作品是學生親自繪圖并打印出來的，作品得到了評委老師的表揚。3D打印技術，也被稱為“增材制造技術”，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術［2］。3D打印技術無需任何機械加工，也不需要使用任何模具，就能直接把學生繪制的零件圖或裝配圖打印成三維立體模型，能夠保證作品的精度和光滑度，而且周期短。全國大學生機械創新設計大賽在下來通知到預賽，僅僅幾個月時間，學生除了學習，要利用業余時間發散思維想創意，還要制作模型、PPT、說明書、視頻等，時間緊，任務重。而使用3D打印大大縮短了學生制作模型的時間，不用去工廠加工，降低了傷害。因此，將3D打印技術應用到全國大學生機械創新設計大賽中具有重要意義。

1 全國大學生機械創新設計大賽與3D打印技術概述

1.1 全國大學生機械創新設計大賽

全國大學生機械創新設計大賽是經教育部高等教育司批準，面向大學生的群眾性科技活動。正如教育部周濟部長所指出的，機械很重要，沒有機械就無所謂工業；創新很重要，沒有創新就沒有發展；設計很重要，設計決定著產品的成本、功能和使用壽命［3］。大賽兩年一屆，每屆都有獨特的主題。其目的在于引導高等學校在教學中注重培養大學生創新設計和綜合設計能力與協作精神；加強學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，提高學生針對實際需求進行機械創新、設計、制作的實踐工作能力，吸引、鼓勵學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才脫穎而出創造條件。

1.2 3D打印技術與傳統加工方法

3D打印技術是一種不同于傳統材料加工，在三維CAD模型數據的基礎上，經添加材料進行制造的技術方式。3D打印技術主要采取的制造方法有直接制造和三維物理實體模型制造。事實上，3D打印技術集成了各種不同的技術，基于多個不同的物理機制，將共同的特征通過一個數字模型來構建三維物理實體，這個成型實際是一個層疊堆積的過程。然而，傳統加工方法通常采用切削加工方法來實現，切削加工方法是一種減材工藝方法。

1.3 3D打印技術在大賽中的應用現狀

近幾年，3D打印技術出現在高校、高中甚至小學等教學中。學校設立創客空間等類似的實驗室，對學生開放，讓學生自由發揮創造作品，以此來提高創新思維。但大部分僅僅限于實驗作品制作，在大學生創新比賽中應用甚少。在第七屆全國機械創新設計大賽中出現了3D打印的作品，作品獲得了評委老師的好評。

2 3D打印技術應用于全國大學生創新設計大賽中的優勢

2.1 高制作效率，成本低

制作同一作品，使用傳統的加工方法從作品設計到加工制作需要較長的時間。對于學生參加比賽來說，準備時間比較緊張。然而，3D打印技術集設計、打印于一體，只要設計好圖紙，其他的事情就完全可以交給3D打印機，實現了半自動化。同時，只需要原材料即可，費用低。

2.2 降低傷害

切削加工會產生許多危害。如設備工作時高速運動的部件、飛出的切屑、設備因高速轉動或摩擦產生的高溫、工作時的噪聲等，這些對人類具有潛在的危險。學生自己操作不熟練，更是加大了受傷危險。3D打印技術則截然不同，學生只需要1臺電腦和3D打印機，動動鼠標，按按按鈕就可以完成加工。

2.3 使制造結構復雜的作品簡單化

傳統加工方法能夠加工出簡單的平面、直線、圓周等，對于加工復雜的結構形狀簡直是異想天開。但對于3D打印技術而言，打印結構、形狀復雜的作品，僅僅依靠的是幾何數據的輸入。在比賽時，學生不再只是使用傳統的機構零件簡單組裝，而是學生自己創造的，有著特定的幾何關系，這些是傳統加工方法不能達到的，而3D打印技術就可以將其變成現實。

2.4 使學生學習制圖軟件并提高創新能力

學生使用制圖軟件，不僅可以學習二維、三維等繪圖功能，還可以學習裝配、仿真等功能。學以致用，將技能應用到實踐中。學生在繪制的過程中，可以發散思維，創新結構，不在局限于現有的機構零件，可按自己的想法設計創造出新的實用的機構零件。

3 3D打印技術在大賽中的應用思考

3D打印技術是一項新技術，預言將引起全球第三次工業革命，將其應用到教育領域是一次重大改革。對于教學、實踐活動、比賽，既是一種機遇，也是一種挑戰。3D打印技術帶來了以下挑戰：①人們使用“耗材”就可以設計加工作品，可能會忽略傳統加工方法，失去動手實踐的機會，這就失去了大賽加強學生動手能力培養和工程實踐訓練的目的；②3D打印技術目前使用的“耗材”種類有限，學生有新想法卻難以實現；③3D打印技術是一項新技術，宣傳力度不夠，不夠普及；④3D打印機價格昂貴。

面對這些挑戰，作為學生和學校應該充分做好準備：①思想方面，3D打印技術是一項新技術，學校專業老師較少，這就需要調動學生的學習主動性，從思想上剔除依賴心理；②知識方面，學習繪圖軟件，學習三維建模、裝配、仿真等功能，讓自己在學生階段真正掌握一門技術，為以后工作做準備；③行動方面，學校應對學生創新活動給予大力支持和鼓勵，在基礎設備和資金方面等給予支持，積極引導學生參加創新比賽，培養學生創新意識。

［1］周濟.中國機械工程教育現狀和未來發展方略［J］.高等工程教育研究，2006（3）：47-52.

［2］童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究［J］.現代教育技術，2013（12）：16-19.

［3］尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用［J］.中國輕工教育，2016（3）：73-76.

Application of 3D Printing Technology in the Mechanical Innovation Competition of University Students

Xie Lijuan Han Baiqiang Liang Pengxiao Zhang Dongliang
（Agricultural University of Hebei Province，Baoding Hebei 071001）

Compared with the traditional industry,3D printing technology has the advantages of rapid prototyping, high productivity and low costs.The application of 3D printing in the national college student mechanical innovation design competition,can not only improve the efficiency of works,reduce the harm caused by mechanical tools,cut costs,make the structure of complex products more simple,but also can develop the students'thinking,enhance the level of students'learning of graphics software,improve the students'ability of technical innovation.Based on this, the concept of national undergraduates mechanical innovation design competition and 3D printing technology were described,the application status and advantages of 3D printing technology in competition were explored,the challeng?es and thinking of 3D printing technology to the competition were analyzed.

mechanical innovation design competition；3D printing technology；advantages；challenge

TP399；TH122

A

1003-5168(2016)09-0038-02

2016-08-22

謝立娟（1993-），女，本科，研究方向：3D打印技術。