將3D打印技術融入機械教學的探索

李志勇

摘要：本文在分析3D打印應用于學校教學的可行性基礎上，結合機械專業日常教學中的實際問題，對特5D打印技術融入到機械制圖、模具專業的教學中進行了有益的探索和實踐，以期提高學生的空間想象能力，促進學生學習積極性，激發學生的創造性。

關鍵詞：3D打印技術 機械教學 模具專業

3D打印被稱為新一輪工業革命的代表技術，得到了各國政府的重視。2015年，《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》以及《中國制造2025））相繼出臺，彰顯了我國對于發展3D打印產業的決心。

然而在與3D打印技術有著密切聯系的機械相關專業的教學中，仍有占比相當大的授課內容采取的是傳統教學方法。即將整個專業的基礎課和專業課通過教師以理論教學的方式講述機械基礎、機械設計等課程，特別是作為機械語言的機械制圖課程的教學，仍是采用原來的方式教學。但抽象的三維概念對學生的空間想象能力提出了更高的要求。所以，如何利用現代化的手段降低教學內容難度，是擺在我們面前必須著手解決的課。

當3D打印技術引入學校以后，在設計的過程中可以充分地發揮設計者的想象力和空間探索能力，反過來可以通過3D打印技術，降低初學者對于三維空間想象能力的理解，從而可以更快更好地將學生帶入機械制圖的學習，大大提高學習效率。對此筆者結合學院的實際情況，進行一些有意義的探索。

一、3D打印應用于學校教學的可行性

3D打印應用服務于日常教學，主要的問題是3D打印設備的成本、打印材料成本以及打印時間，下面從三個方面進行分析。

1.3D打印設備成本

目前常用的3D打印機主要是桌面級3D打印機，此類打印機采用的是FDM熔融沉積技術，由于目前很多3D打印機生產廠家“拼價格”，所以打印機的價格并不是很高，畢竟桌面級打印機要求精度不高，大多數廠商都能做到這種精度。桌面級3D打印為大眾化應用設計提供了很多便利，促進了3D打印概念的普及。

2.3D打印耗材的成本

3D打印耗材即是3D打印機所使用的材料，目前常用的材料有尼龍、PLA、光敏樹脂等，由于材料不同，其價格相差也很大，目前使用較多的是PLA和ABS，價格在每千克幾十元，完全在學校日常教學可接受的范圍。

3.3D打印時間

目前普遍采用的桌面型3D打印機的一個重要的缺點就是打印速度太慢，打印一件作品需要很長的時間。

二、3D打印工作原理

3D打印需要經過的四個過程：建模、切片分層、打印和后處理

1.建模

建立3D打印模型主要有兩種方法：一是采用3D設計軟件如UG、CATIA、Solidworks、creo等建立三維數字化模型；另一種是采用抄數機或者掃描儀直接獲取目標對象的三維數據，經過軟件處理，生成數字化三維模型。

2.切片分層

3D打印機不能直接進行3D打印，在建立數字化三維模型之后，要生成3D打印切片軟件識別的STL文件，經過切片軟件切片處理，生成3D打印設備識別的Gcode代碼，然后進行3D打印。

3.打印

使用3D打印機，直接連接電腦或者將Gcode代碼導入設備進行打印。

4.后處理

打印完成的模型由于設備本身的精度問題和在打印過程中耗材的熱膨脹率、產生的支撐等影響，會在模型表面產生一些毛刺，表面粗糙等問題，這些都是要人工清理的，對于對尺寸要求比較高的模型，要進行更仔細的清理打磨工作，有的模型還需要曾加強度處理和上色處理等。

三、3D打印技術在教學方面的應用現狀

目前在教育工作者的不懈努力和探索下，有很多將3D打印技術與教學相整合的探索，在學生使用3D打印機的過程中可以提高學生的動手能力，激發學生學習的興趣，增加學生探索科技的動力，感受科技飛速發展的力量。3D打印技術可以很輕易地將學生腦中想象的模型快速轉化成實體，加速從設計到制造的轉化速度，從而促進學生的想象力和設計創新的能力。學院目前采用的打印設備主要是FDM和SLA，通過實際應用，比較適合教學。

FDM打印機的特點是設備便宜，國產的打印機的價格在幾千元不等，進口的設備在萬元以上，另外，此類打印機還具有操作簡便，使用方便，對場地條件要求低，便于維護，而且打印耗材也相對便宜，可以使用的材料種類比較多等優點，缺點是打印精度相對較低，對于一些復雜的模型，由于切片軟件不夠強大，有的難以成型，限制了使用范圍。另外，還有打印速度緩慢，材料存在熱膨脹率，打印精度難以保證，后處理較困難等問題。其主要適用于一些手板的打印和一些對尺寸要求不高、裝配精度要求不高的零件或模型。

SLA相對于FDM的優勢在于采用成熟的固化成型技術，加工速度快，生產周期短。由于此類打印機配套的軟件處理能力較為強大，所以可以加工一些外形制造復雜或者使用傳統制造方法難以加工成型的模型。但是此類設備的造價高昂，動輒幾十萬甚至上百萬，對使用環境的要求也較高，其耗材主要是光敏樹脂，成本很高。目前其主要應用于對模型尺寸要求較高或者對裝配精度要求較高的零件或模型。

四、將3D打印技術融入機械教學的探索

1.3D打印技術在機械制圖教學中的應用

在機械專業中，機械制圖是一門重要的基礎專業課，被稱為機械設計的語言，但是在傳統教學過程中，授課教師總是要圍繞著一個或者幾個問題，反復地向學生進行闡述，隨著多媒體教學的引入，可以在一定程度上幫助學生理解學習內容，但是仍不能隨心所欲地去探索三維空間。

3D打印技術的到來，給學生探索三維空間，打開思維敞開了大門，他們可以將腦中形成的想法，利用3D打印機快速地實現。試想一下，對于一個初學機械制圖課程的學生，讓他在腦中實現某一三維模型的主視圖、左視圖、俯視圖等識圖是有一定困難的，更不要提在腦中將三維模型隨意翻轉了。但是，有了3D打印技術，三維模型完全可以在短短的幾個小時內打印出來，這對于學生的理解將會產生巨大的促進作用。有了實物模型，反過來繪制二維投影視圖就簡單了很多，這將大大縮短學生學好機械制圖的時間。

通過上面的分析我們不難看出，學好機械制圖的核心內容就是要具備相當好的空間想象能力，而這一能力的培養，在過去，需要相當長的時間，通過接觸相當多的實物和圖樣才能具備。而現在，3D打印技術可以幫助學生在較短的時間內培養出較強的空間想象能力。

2.3D打印技術在機械模具專業中的應用

在以往的機械模具專業的教學過程中，教師將學生的設計轉變為實體或者產品，幾乎是不可能的事情。但是現在，由于3D打印技術的使用，這些已經成為現實。將設計打印成產品，大大增強了學生的信心，并且通過對實體的使用，可以實現對設計的有效改進。能做到這樣，主要依賴于3D打印相對于機械加工模具在價格上的優勢，時間上也存在相當大的優勢。

3D打印技術快速地進入我們的思想，慢慢地滲入我們生活中的各個角落，同樣，也在各個方面服務于我們的日常教學，特別是在傳統教學方法難以實現的地方。我們相信，經過機械專業教育工作者的不懈努力，3D打印技術將會和機械教學融合得更好！