結合 3D 打印技術的高職機械綜合實訓課程改革探討

彭蓉

摘要：隨著科技水平的提高，3D打印技術的不斷成熟，當前已在各個領域得到了廣泛的應用。本文對3D打印的原理及特點優勢進行了分析，探討3D打印在教學領域的應用，將其融入高職教學中，考慮到3D打印技術的優勢會隨著普及率越來越高、技術不斷成熟、成本逐步下降必將在今后的高職教育領域中得到廣泛的應用。

關鍵詞：3D打印；機械綜合實訓；輔助教學；輔助設計

一、3D打印的概念和原理

3D打印又稱為增材制造，是快速成型技術的一種，有著“制造靈活”和“節約原材料”的特點，近年來，隨著3D打印技術逐步成熟、打印材料種類的增加，打印價格的降低，3D打印有了快速發展，應用領域不斷增加，不僅在機械制造、國防軍工等領域得到廣泛應用，也逐漸進入學校、家庭、醫院，在教育、生物醫療等行業也得到廣泛關注及應用，

3D打印（3D printing，又稱三維打印）原理是是利用設計好的3D模型，通過3D打印機逐層增加塑料、粉末狀金屬等材料來制造三維產品的技術。一般來說，通過3D打印獲得物品需要經歷建模、分割、打印、后期處理等四個環節，其中3D虛擬模型，可以是利用掃描設備獲取產品的三維數據，并以數字化方式生成三維模型，或者是利用UG或CAM等工程或設計軟件創建的3D模型，有些應用程序甚至可以使用普通的數碼照片來制作3D模型。

二、 3D打印的特點和優勢

3D打印技術與傳統制造相比，3D打印具有小批量、成本低、復雜制造能力好、材料利用率高，適應性好等特點，3D打印機采用選擇性激光熔煉技術，用激光將金屬粉末加熱成型，相比數控機床制造，既可以縮短制造時間，又可以提高制造精度，降低制造成本，一舉多得。 3D打印不需事先制模，也不必鑄造原型，大大縮短了產品的設計周期，減少了產品從研發到應用的時間，降低了企業因開模不當可能導致的高成本風險，使得特殊和復雜結構的模型的制作也變得簡單。另外，3D打印是增材制造，使用金屬粉或其他材料，使部件從無到有，大大減少了原材料和能源的消耗，生產上實行了結構優化。

三、3D打印的應用領域及成果

3D打印近年來得到了快速發展，首先在模具加工和機械制造領域，使用3D打印可以快速地進行模具的設計與定制，打印復雜形狀的各種零件。在航空航天、國防軍工領域，3D打印應用于外形驗證、關鍵零部件的原型制造、直接產品制造等方面。生物醫療領域，醫學工作者利用3D打印技術打印出患者的內臟模型及外傷性腦內血腫顱腦模型等，用于輔助診斷并制定術前方案，降低了手術難度，減少了手術時間，為患者帶來精準化治療。2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬gun，能夠連續發射50發子彈并保持完好。

四、將3D打印融入到高職機械綜合實訓課程

3D打印技術與傳統普通機械加工工種可以有機地融合來進行教學，能取得更好的教學效果。機械加工技術可以說是金屬3D打印零件生產過程中的一個環節，很多3D打印的金屬零件需要進行機械加工來生成精密的表面，但實現兩種技術之間的銜接是充滿挑戰的。目前國內在應用3D打印技術的時候，經常局限在3D打印應用階段，并沒有像國際上將3D打印技術與傳統制造技術進行有效的銜接。以3D打印隨形冷卻模具來說，3D打印服務商通常將3D打印完好的半成品外包給機加工企業進行后期的表面精加工，而非在一條生產線下完成所有的制造流程，也就是說3D打印應用的發展在國內仍然處于片段化。3D打印技術在制造復雜零部件方面的優勢，如果在當初設計與制造3D打印零件時沒有充分考慮到后續機械加工中所面臨的困難，則可能招致零件加工失敗但如果通過大量試錯的方式來加工一款3D打印零件，肯定要承擔高昂的成本。有的零件先后需要經過3D打印增材制造與銑削等多個制造步驟，零件從一臺加工設備移至下一臺設備時存在如何夾緊、怎樣進行移位等問題，機械加工行業的著名設備企業阿奇夏米爾是通過統一的卡盤和校準軟件來解決以上這類問題的。

（一）高職機械綜合實訓課程中輔助設計

高職機械綜合實訓課程中的鉗工實習、車工實習、銑工實習、數控實習等如果能借助相應的模型設計出一定的模型，借助于3D打印，學生對需要設計的模型有一個基本直觀的認識，然后經過分組的討論、設計、修改等過程，不僅能增加學生的學習興趣，促進學生交互學習，協作學習，且能提高學生的設計水平、思維能力和實操能力。需要用專業的軟件制圖，然后再拷貝到U盤，插到3D打印機上就能進行打印。通過學習3D打印，創新和想像力可以得到無限發揮興趣是學習的原動力，毫無興趣的學習過程是枯燥被動消極的、只能是事倍功半。如何調動學生的學習興趣是一個永恒的教育要求，比如：在模具設計實訓中，采用項目式教學法應用3D打印，學生在親歷自己設計零件打印成型的過程及成品后，學習興趣大增，反復討論修改的過程能顯著提升學生的設計水平。在CAD課程實踐環節中，使用3D打印機，可以根據教學需要來設計教學內容，對學生的設計作品3D打印出來進行評比。鼓勵學生打印原創作品，以發揮學生的專業特長，激發學生的創造力和想象力。

（二）打印三維教具學具輔助教學

當前不少學校購買了3D打印機，使用不久就出現這樣或那樣的問題，自己解決不了而找廠家維修又很難，而國內的大量打印機廠商都是作坊式生產，質量和后期維護跟不上，造成使用效果大打折扣。3D打印技術無法應用于大量生產，所以有專家鼓吹3D打印是第三次工業革命似乎過早。富士康為蘋果代工生產iPhone已有多年。郭臺銘以3D打印制造的手機為例說明：3D打印的產品只能看不能用，因為這些產品上不能加上電子元器件，無法量產。3D打印還受到材料的限制，可以生產的產品也很少，“即使生產出來的產品，也無法量產，而且一摔就碎。但3D打印技術在當前階段還存在可打印原材料少、速度較慢、成本高、精度較低等問題，制約了其在各領域的進一步應用。相信在不久的將來隨著材料、高精度控制、高效制造等關鍵技術的發展，3D打印技術必將能發揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 張飛相. 3D打印技術的發展現狀及其商業模式研究[J]. 新聞傳播， 2016（2）

[2] 李青. 3D打印―一種新興的學習技術[J]. 遠程教育雜志 2013（4）