3D打印技術在課堂中的應用

喬堃

摘要 3D打印技術的應用使得機械行業開始發生了轉型，對于正處于學習階段的高職機械專業的學生而言，需要進行教育教學內容的改革，引進3D打印技術可以更好的以市場和技能作為學習導向，開闊學生的眼界，豐富學生機械知識結構，讓學生在擁有基礎理論的同時還掌握了其應用技能，為學生的未來發展提供了方向。

【關鍵詞】3D打印 三維數據 Rhino軟件 CAD軟件

就目前而言3D打印技術有著及其廣闊的未來發展前景，這也為高職院校提供了改革的方向，本文主要是從3D打印技術的基礎知識進行延伸，參考機械類課程的設計要求將其融入到教學當中，為教學改革提出了一些參考性建議。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術

3D打印技術是采用了增材快速成型的系統，這種系統可以進行模型的構建通過切片軟件的使用，將整個實體的三維打印出來，對于機械專業的學生來說，就是一種很好的將課本中所表達的二維信息轉化為可以直觀感受的三維立體圖形，從而達到教學效果，這種個性化的教學方式的引進可以幫助學生在體驗式教學當中增加學習興趣，開拓學生的創造思維，極大地調動了對機械知識學習的熱情。

3D打印技術通過三維數據，結合材料并逐層進行產品的制作，就目前而言這種技術是打破了常規設計和制造方式，無需要模具就可以進行復雜結構的設計，這是傳統技術所不能完成的，3D打印技術提高了材料的利用率，這不僅是成本的節省，而且縮短了制作的周期，其精準的設計效果可以應用到諸多領域。對技術強度要求較高的高職機械專業的學生來說，將3D打印技術引入到課堂，可以改變學生對于機械領域的認知觀念，這對于他們在技術研發甚至是技術突破上有重要的引導作用，促進3D打印技術在我國的發展。

1.2 3D打印技術的原理

3D打印技術是通過計算機進行三維模型的設計，并將其按照同樣規格進行切片處理，從而轉變為二維圖形，之后進行逐層加工使得疊層越來越高。通過CAD軟件或是其他同類型軟件進行設計，采用逆向工程的思維方式進行數字模型的構建，由于其技術的先進性再搭配上多種的輔助技術，擴大了這種3D打印技術的應用領域。

打印過程中會采用多種成型原理進行，較為主流的有熔積沉積法即在電腦的控制下打印機會根據加熱的噴頭對熱塑性材料進行輪廓截面的繪制，沿著X軸、Y軸和Z軸的運動方向，隨著在高度Z軸的不斷疊加，打印出最后的成品，由這類方式在后期的處理難度較大，一般適用于功能性要求較強的物件制作;激光選區燒結法是采用強度較高的激光線對粉末狀耗材進行照射燒結，這種工藝制作出的成品疏松多孔，屬用于塑料金屬類的零器件加工;光固化程序法是利用紫外光的照射讓液態耗材發生聚合反應，迅速增大的分子凝固成型，這種方式所成型的零件的質量和品質較高，不會對環境造成污染，但光固化這類的樹脂會含有一定的毒性，在使用時需要格外的慎重。

2 3D打印技術在課堂中的應用

2.1 3D打印技術在教學內容的應用

在機械教學內容中會有很多學生難以想象到截斷圖形的完整立體構圖（圖1），這就造成了空間想象力不足的學生所構想的圖形與實際相差很大，在上平面截切課程的時候，采用3D打印技術可以有效地將其原理變化過程展示出來，直觀的讓學生看到截交面（圖2）發生的變化，還有些復雜的圖形的構建是融合了多個基礎圖形，例如一個圓柱體在與圓錐形在融合后的相貫體的模型結構及其相貫線的樣子學生沒有辦法直接想象出來，這就可以利用3D打印技術將組合過后的圖形進行視圖的對比，而這個過程都是學生可以自己參與到的，這整個實踐的過程也就是學生對于自身的能力鍛煉。

2.2 教學方式的應用

對于機械類的學生需要掌握專用的CAD/CAM的應用技術，為此教師可以讓學生自行分組，并安排好每個人員在整個圖形的設計、裝配中的角色并填寫于實驗表中，這里是以三維模型為例，一般來說小組人數控制到3-4名就可以，這樣便于每一位同學都可以參與到設計繪制的過程當中避免有些學生只是在一旁的觀望，首現需要學生在頭腦中進行左邊的聯想，將抽象的概念通過某些詞的形容記錄在本上，便于將圖形的關鍵點在之后的設計當中展示出來，如圖3為某小組同學利用Rhino軟件設計的一個具有收納效果的裝置的立體造型。

這個裝置是采用了三個基本的零件組裝的，學生在整個設計當中融合了多種元素，這種具有創造力的構想就是小組成員間合力的結構，就設計本身而言需要一定的新意，這樣不僅是在發散學生的思維還有助于學生對于圖形結構的了解，采用簡單基礎的零件繪制出一個完整具有功能作用的裝置，是一種質的變化，學生在實踐自己設計效果的過程就是一種能力的提高，采用小組的方式增加了學生間的溝通，這種互助的方式彌補了單人完成的不足，在掌握常用Rhino軟件的情況下，發揮了學生在設計方面的潛能。

學生在動手的過程中激發了學習的興趣，教師對于學生的作品要求可以放寬時間限制，這樣學生可以不斷地完善自己的設計成功，以達到最佳狀態，這也是一種不斷磨合的過程。

在使用Rhino軟件將設計好的作品模型進行格式的轉化，成為STL格式，這樣主要便于導入到3D打印設備當中。借助UP型設備主要操作流程為將設備進行初始化的設置，擠出適量的ABS料絲，在打印過程中可以先進行預覽，方便對于某些數據的設置，使得成型的作品具有精確性，當所有的準備工作都進行完畢后并檢查無遺漏下就可以直接打印。

就實際而言將3D技術的引入可以幫助教師的項目課題的實現，尤其是對于這種動手能力要求較高的課題就可以采用分組的形式，讓學生在溝通當中不斷地完善產品的設計和制作，鍛煉學生的團隊合作能力，這也是一種互補的方式，有些學生設計比較好但是欠缺動手能力，有些學生有很強的表達能力但是動手能力欠缺，為此這樣的組合就可以有效地提高了成品的成型率，在完成作品以后可以進行作品的演示，由同學講解他們的創作思路和設計亮點，以此來增加學生的自信心。

就目前而言我國高職院校都開展了各類教育教學改革，作為第二課堂的實踐課程也屬于改革的內容，將這種3D打印技術引入到學校的社團或者是科研小組當中，讓學生自行組織進行學術的探討和科技的研發，這樣豐富了學生的業余生活的同時還可以作為教輔材料。這就需要有專業的指導教師進行項目指導，幫助社團或者是興趣小組進行方向的確立或者是技術的指導，讓學生更好的實踐課堂內容，以此來提高學生的動手能力和想象力。

3 結束語

3D打印技術的應用，有助于營造全真模擬的效果，可以將較為復雜的立體圖形展示出來，讓學生直觀地看到立體圖形，通過立體三維的構建來彌補上課二維信息的不足，便于學生理解。讓3D打印技術作為一種媒介進入到教學領域會增加學生的動手能力，發揮了學生在設計方面的潛能，學生樂于參與到其中，感受到學習的樂趣，便于知識的掌握。同時也節約教學成本，有廣闊的發展前景。

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