淺談3D打印在數控專業教學中的應用

曾志宏

摘 要：3D打印技術是一個新時代的新興技術，它足以引導第三次工業革命。作為技工院校應該提前去了解并掌握和發展其技術，放眼未來，把握新興技術的氣息，積極培養掌握3D打印技術的創新型人才，為落實《中國制造2025》強國戰略培養智能制造專業人才。3D打印逐步在教育領域得到應用，因此如何在教學中應用3D打印技術，培養學生的創新能力，我們作了一些嘗試。

關鍵詞：3D打印；教學；模型制作；三維建模

一、我國快速發展的3D打印技術

2018年2月6日， 中科院福建物構所3D打印工程技術研發中心林文雄課題組，在國內首次突破了可連續打印的三維物體快速成型關鍵技術，開發出一款超級快速、連續打印的數字投影（DLP）3D打印機。該3D打印機的速度達到創紀錄的600毫米/小時，可在短短6分鐘內，從樹脂槽中“拉”出一個高度為60毫米的三維物體。同樣物體采用傳統的立體光固化成型工藝（SLA）來打印，則需要約10個小時。這意味著前者速度提高了100倍。

2018年3月5日 中國首臺自主研發的微型金屬3D打印機在山東青島西海岸新區正式發布。該3D打印機采用選區激光融化機制成型金屬件，可用于多材料、高性能的金屬零部件的直接制造。該設備的發布填補了中國相關領域的空白。

2018年5月9日凌晨，太原衛星發射中心用長征四號丙運載火箭將高分五號衛星成功送入預定軌道。此次任務中，由中心試驗技術部二室主任董富治牽頭研制的多個3D打印裝備器件得到成功運用，標志著3D打印助力航天發射能力實現新跨越。我國快速發展的3D打印技術，將推動中國3D打印機產業化、市場化、國際化的發展進程。作為《中國制造2025》重點布局和著力發展的產業之一，3D打印產業近年來備受關注。我們作為技工院校，為落實《中國制造2025》強國戰略，必須進一步推進3D打印應用專業進程，著力推進智能制造專業建設和人才培養，為國家戰略貢獻力量。

二、3D打印技術在數控專業教學中的作用

我們學院去年購買了十臺3D打印機，這個學期在預備技師（數控專業）班，開設了為期五周的3D打印實操訓練課程。Pro/E三維設計軟件是近年來數控專業的重要課程之一。但由于學生接觸實體機械產品機會不多，很難形成對其設計的三維產品有準確的概念，我們有了3D打印，就可以快速將設計轉化成為實物，方便了后期對實物產品進行試驗檢測，及時發現問題并對設計進行修改。反過來，也會促進學生對Pro/E三維設計軟件的學習動力，興趣，因為產品要達到比較完美、理想，必須重視Pro/E三維設計軟件的學習，要深刻領會Pro/E三維設計軟件的設計內涵和技巧，巧妙地把個人想法、構思變為理想的實物。在傳統的機械制造行業里，由多個零件裝配的機構，必須將各個零件分別單獨制造加工好，才能裝配成機構。但3D打印里，可以用Pro/E三維設計軟件的在計算機上分別設計零件圖，然后組裝成裝配圖，在3D打印機上一次打印成機構，極大地節約了加工時間和費用。而且，利用3D打印，在具有螺紋連接或軸孔配合的產品機構，更具產品快捷完成、外形美觀的優勢。甚至利用3D打印機可制造傳統方法難以加工甚至無法加工的復雜構體，打破了傳統制造的局限性。

三、用3D打印教學用模型、教具，培養學生的創新能力

隨著3D打印技術的快速發展，其已應用于工業制造、生物醫學、航空航天、教育、汽車等眾多領域。在我國，3D打印也逐步在教育領域得到應用，但沒有完全普及。因此如何在教學中應用3D打印技術，我們作了如下的一些嘗試。

1、用3D打印《機械制圖》教學模型，增強學生對學習Pro/E三維設計軟件的自信心

目前，學校使用的《機械制圖》課程教學模型普遍存在更新周期慢、廢損率高、品種不齊、數量少，不適應改版教材、新教材，不能滿足多個班級、多個教師同時上課的教學需求。利用3D打印，不僅可以快速打印《機械制圖》教學模型，還可以對《機械制圖》教學模型進行快速修改制作。首先教師收集資料信息，統計所需《機械制圖》教學模型的品種和數量。然后，一臺3D打印機作為一組（有2-3學生），并選出組長。每臺3D打印機由組長負責教師所分配安排的打印任務和打好的模型管理。教師示范用Pro/E三維設計軟件設計《機械制圖》教學模型圖形，再用3D打印機打印其模型，并對模型進行檢測、檢查、講評，看是否符合要求。發現問題及時修改圖形，直至合格。隨后就是學生首先用Pro/E三維設計軟件設計《機械制圖》教學模型圖形，再用3D打印機打印他們所設計的教學模型。而且教師、學生也可以一起設計、制作《機械制圖》教學模型。師生共同制作教學模型，不僅能夠幫助學生加深對重難點知識的理解和掌握，還可以提高學生的學習興趣，增強學生對學習Pro/E三維設計軟件的自信心。

2、用3D打印《機械基礎》教學模型與機構，培養學生的創新能力

目前，具有個性化、獨特性的創新型產品需要不斷增加。我們技工院校，必須多渠道想方設法培養具有創新型、創業型人才。為學生畢業后， 走進“大眾創業”、“萬眾創新”行列，自主創業打下良好基礎。如何培養更多創新型、創業型人才，我們認為通過學習、實踐、掌握3D打印技術，能夠培養學生的創新精神、提高學生的創新能力。過去，學生用Pro/E三維設計軟件的產品圖形，要想成為實物幾乎是不可能的，特別是一些要開模具的產品或復雜構體。現在有了3D打印機，學生用Pro/E三維設計軟件的產品圖形，幾個小時就可以打印出來，產品的修改、試制也是極為快捷方便，只要在計算機上修改，修改好后再行打印即可。沒有傳統試制方法的費時、價高。與傳統教育方法相比，借助于3D打印教育更具靈活性、創造性。因為3D打印本身具有個性化特點，使得學生完成物品的設計完全不會拘泥于一種形式，而是可以采用多種模式，可以不斷地開拓思路，拓展思維空間，大膽地嘗試。當前，學校使用的《機械基礎》課程教學模型與機構也普遍存在更新周期慢、廢損率高、品種不齊、數量少。隨著社會的發展，高品質、個性化、互聯網+時代的到來，帶來了許多新技術新事物，學生是未來，新奇的3D打印技術符合學生好奇的天性，又有利于學生創造力的培養。我們選取《機械基礎》課程里鉸鏈四桿機構的“曲柄連桿”機構作為案例來教學。“曲柄連桿”機構按傳統的制作方法是將分別每桿帶二孔的四桿制作好，然后再將四桿件鉚接起來，才能使用，而且鉚接后四桿件必須能相互轉動或擺動。用3D打印機能否一次打印“曲柄連桿”機構呢？按3D打印原理是可以的，因為“曲柄連桿”機構的裝配圖可以用Pro/E三維設計軟件繪制出來。但用3D打印的話，四桿件的設計與傳統的制作方法一樣，但必須增加四個鉚接件，繪制好四桿件和鉚接件零件圖后，可組裝成裝配圖，用3D打印機一次打印裝配圖，即可打出“曲柄連桿”機構。要注意桿件裝配的先后次序，確保“曲柄連桿”機構正常工作。通過打印“曲柄連桿”機構后，學生更加認識學習3D打印技術的重要性和必要性。在完成了教學模型打印任務之后，有些學生利用Pro/E三維設計軟件，試著設計一些外形比較獨特、多功能的筆架；有些學生試著想設計新穎教學用的圓規，畢競傳統的教學用圓規圓心定位、裝夾粉筆都不太理想。看著躍躍欲試學生們作為我們教師感到由衷的高興。今天的學生，就是明天3D打印的希望。

盡管目前3D打印技術還面臨著能打印的材料品種少、成本高以及打印速度慢等方面的問題，但隨著3D打印機成本的降低，打印新材料的開拓、打印速度的提高，相信3D打印將會逐漸走進課堂，在培養學生創新能力、提高學生動手能力、促進教學改革等方面發揮重要的作用。

參考文獻：

[1]郭建才.3D打印在教學中的應用. <技術與應用>. 2016 NO （08）