3D打印實訓項目在機械工程創新實踐教學中的應用

孫倫業++張新

摘 要： 為了培養本科生的創新思維和工程實踐能力，基于3D打印制造技術開展了工程實踐訓練項目，學生通過創意設計、零件建模、打印制造等環節的培訓，開闊了視野，提高了動手能力，為構建新型機械工程實踐教學體系奠定了良好的基礎。

關鍵詞： 3D打印 工程實踐 創新思維

培養應用型創新人才是高等院校機械工程專業的教學宗旨。隨著世界范圍內新一輪科技革命和產業變革的加快重塑，如何培養出一批具有創新思想、開闊視野、扎實理論基礎、較強工程實踐能力的高素質應用創新型人才，已經成為我國機械專業高等教育面臨的重要課題。工程訓練作為高校實踐教學的重要組成部分，以工程環境為背景，以實際操作為訓練手段，對大學生的創新思維、協作精神和實踐能力的培養具有不可替代的作用。目前，國內各高校已開設了形式多樣的工程訓練項目，但為了與當前工業技術發展的主流趨勢密切銜接，工程訓練還需要設置先進制造技術實訓模塊。

3D打印技術是上世紀90年代中期發展起來一種先進制造技術，它與傳統的材料加工方法截然相反，通過增加材料逐層制造的方式，直接、快速、精確地打印出三維實體零件，為零件原型制作、新產品設計等方面提供了一種高效低成本的制造手段。作為一項前沿性的先進制造技術，3D打印技術已經廣泛應用在航空航天、國防軍工、工業設計、建筑工程、文化創意、生物醫療等領域，并與機器人、物聯網、大數據、云計算等技術深度融合發展，成為工業領域的研究熱點和未來發展的方向。因此，在工程實踐教學活動中開設3D打印訓練項目，讓學生初步了解和掌握這門先進制造技術，有助于培養高素質的機械工程人才，符合工程教育改革的要求，符合經濟社會發展的需要。為順應新形勢的發展，我校機械工程實驗中心引進了多種3D打印相關設備，開展了一系列工程訓練項目，取得了良好的效果。

1.實訓平臺建設

3D打印技術有別于傳統的零件制造方法，它以CAD模型文件為基礎，通過高溫熔化固結粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，分層打印出三維零件原型，其典型的代表工藝有：光敏樹脂液相固化成形技術（SLA）、選擇性激光粉末燒結成形技術（SLS）、薄片分層疊加成形技術（LOM）、熔絲堆積成形技術（FDM）四種，其中FDM熔絲堆積成形技術因其具有的操作方便、維護簡單、成本較低、能制造任意復雜程度的零件等諸多優點，得到了迅速發展，在高校工程訓練領域得到了廣泛應用。

FDM熔絲堆積成形的工藝過程是：熱熔噴頭受計算機的控制，做X-Y方向的平面運動，絲材送至熱熔噴頭中加熱、熔化，從噴頭擠出粘接到工作臺面上，快速冷卻凝固，每一層截面加工完成后，工作臺下降一層的高度，繼續下一層的涂覆，如此重復，直到打印出整個實體的造型。

建設3D打印實訓平臺，可以使學生直觀地了解前沿先進制造技術，掌握從概念設計到原型制造的一般工藝流程，有利于培養和提高學生的創新意識和創新能力。實驗中心購買的是深圳極光爾沃公司生產的桌面級3D打印機，使用的打印材料是PLA塑料絲材，可以確保打印出的零件模型尺寸穩定，堅固耐用。

2.實訓項目開展

3D打印工程訓練面對全校本科生，在前期培訓過程中根據學生專業和層次，充分利用多媒體課件和視頻，并結合打印零件實物對學生進行知識講授和技術指導，采用多種教學方法著重介紹3D打印技術的加工過程、工藝原理和應用特點，使學生深入了解3D打印技術，掌握從概念設計到零件制造的一般工藝流程。

明確實訓任務和要求后，在指導教師的協助下，學生進入實訓階段，主要過程分為三個步驟：

（1）學習并運用UG、ProENGINEER、SlidWorks等三維建模軟件，提交創意設計方案，自主設計出具有一定創新性、實用性的作品；

（2）學習將作品模型轉換成3D打印的STL格式，并在Cura3D打印軟件中對STL文件進行正確的切層處理及對各項工藝參數進行設置；

（3）熟練掌握3D打印機的裝絲料、設備維護、上機打印等操作步驟，“真刀真槍”地打印出零件實物模型。

3D打印實訓項目開展得到了積極響應，共有機械專業123名學生參加，同時吸引了其他專業的學生實地觀摩實踐活動。通過上述實訓環節的實施，學生參與創新實踐的主動性得到了充分發揮，自行完成了設計、建模和零件制作等環節，將理論與實際、知識與能力相融合，延伸了課堂教學內容，達到了學以致用的教學目的，為進一步開展創新發明活動奠定了思維、素質和實踐基礎。

圖3 3D打印零件實物

3.結語

3D打印技術是近年來迅速發展的快速成型制造技術，其應用領域越來越廣泛，通過在機械工程專業開展3D打印實訓項目，不僅使學生接觸到學科前沿的技術，開闊了學生的視野，激發了學生的創新思維，而且豐富了創新實踐教學內容，拓展了人才培養形式，對完善高校創新實踐教學的模式起到了有益的參考和借鑒作用。

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基金項目：安徽省教育廳教學研究項目（項目號：2014jyxm136）