3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用探討

□李會(huì)玲 雷 芳

3D打印技術(shù)是基于材料堆積原理的快速成型過(guò)程，先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模，再將建成的三維模型分區(qū)成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。3D打印因?yàn)槟艽蛴?fù)雜的、傳統(tǒng)方法制造流程繁瑣的產(chǎn)品和成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，在個(gè)性化定制、創(chuàng)客等方面得到快速發(fā)展[1～2]。當(dāng)前，快速成型設(shè)備類型很多，包括立體光刻成型、熔融堆積成型、分層實(shí)體加工、選擇性激光燒結(jié)等。其中熔融沉積成型技術(shù)(FDM)是將熱塑性材料熱熔后擠出堆積成型，應(yīng)用較為廣泛。針對(duì)機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案需求，本文對(duì)3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用展開了探討。

一、3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室以機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)為宗旨，與專業(yè)課程相結(jié)合，為教師和學(xué)生提供創(chuàng)客空間。3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以滿足學(xué)生完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、打印和后期處理等，使產(chǎn)品有一定的功能和作用。這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的思考能力、動(dòng)手能力和分析解決問(wèn)題能力。思考能力是一切學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)能力，動(dòng)手能力是將已學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，解決問(wèn)題是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能的有效方式[3]。

根據(jù)教學(xué)需要，建設(shè)了3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室，實(shí)訓(xùn)室面積約為100m2，配備55臺(tái)電腦，能滿足一個(gè)教學(xué)班，共購(gòu)置20臺(tái)教學(xué)用3D打印機(jī)，其中有5臺(tái)并聯(lián)臂3D打印機(jī)，購(gòu)置2套三維掃描儀，用于逆向采集數(shù)據(jù)用。按照3D打印的工作內(nèi)容，將場(chǎng)地分為以下區(qū)域：逆向三維數(shù)據(jù)采集區(qū)、三維模型建模區(qū)、3D打印區(qū)、成品處理區(qū)和作品展覽區(qū)。學(xué)生利用三維掃描儀掃描產(chǎn)品，得到數(shù)據(jù)，然后在三維模型建模區(qū)用UG、PROE等軟件做出產(chǎn)品模型，或直接在三維模型區(qū)做出產(chǎn)品模型，接下來(lái)用Cura軟件完成切片處理得到數(shù)據(jù)，輸入3D打印機(jī)，完成打印，打印完成后在成品處理區(qū)去毛刺、噴涂等，根據(jù)產(chǎn)品的功能需求完成。

二、3D打印機(jī)械機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中的知識(shí)點(diǎn)“曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)”，一般是通過(guò)課本講解、畫二維平面圖和看視頻的方式來(lái)學(xué)習(xí)。有了3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)此課程進(jìn)行了教學(xué)改革，教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，按照提出任務(wù)、分析原理、邊學(xué)邊做、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的步驟開展。首先由教師提出任務(wù)，學(xué)生分組對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析討論，根據(jù)討論結(jié)果繪制草圖，然后完成三維模型和打印，接下來(lái)進(jìn)行組裝，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)，對(duì)于不合理的機(jī)構(gòu)學(xué)生需重復(fù)任務(wù)分析，直至建立的機(jī)構(gòu)合理可用，對(duì)于能有創(chuàng)新完成的機(jī)構(gòu)則有加分，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新。如圖1所示，為學(xué)生完成的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)這種教學(xué)方式，學(xué)生以小組為單位，在教師的指導(dǎo)下分析討論機(jī)械原理，通過(guò)做中學(xué)，學(xué)中做，合作完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、打印和裝配，得到一套完整的機(jī)構(gòu)，在實(shí)踐的過(guò)程中，完成了認(rèn)知知識(shí)和理解知識(shí)，為應(yīng)用知識(shí)打下良好的基礎(chǔ)。這種學(xué)習(xí)方式收獲的學(xué)習(xí)效果是牢固的，不容易被遺忘，在后續(xù)的相關(guān)課程和應(yīng)用中也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

圖1 曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

三、3D打印完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)

塑膠產(chǎn)品一般是經(jīng)模具批量生產(chǎn)得到，塑膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮塑料零件的結(jié)構(gòu)工藝性，以保證順利成型。比如塑料零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)壁厚、斜度、加強(qiáng)筋、支承面、圓角、孔等的設(shè)計(jì)要求，在保證產(chǎn)品功能的前提下，壁厚要均勻，減少應(yīng)力集中，塑件的內(nèi)外表面應(yīng)盡量避免側(cè)孔、側(cè)凹或與零件脫模方向垂直的孔，相應(yīng)的模具也簡(jiǎn)單；薄殼狀零件在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)加強(qiáng)筋增加零件的強(qiáng)度和剛度，防止變形。驗(yàn)證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，通過(guò)3D打印快速制造出產(chǎn)品，可以直觀地看出壁厚、孔和加強(qiáng)筋等設(shè)置是否合理，可以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理[4]。

借助3D打印，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的課程上，教師布置任務(wù)是設(shè)計(jì)并制造一輛有動(dòng)力的車，首先讓學(xué)生按自己的創(chuàng)意及想法設(shè)計(jì)車的外形和結(jié)構(gòu)，并手工繪制外形草圖，然后通過(guò)3D造型軟件進(jìn)行數(shù)字建模，再用3D打印機(jī)打印出來(lái)，打印出來(lái)后去毛刺、裝配，然后裝上電路板和電池，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制，可以通過(guò)遙控控制前進(jìn)，如圖2所示。由于有了實(shí)體模型，學(xué)生很容易根據(jù)產(chǎn)品造型分析其結(jié)構(gòu)工藝性是否合理，車身結(jié)構(gòu)是否能滿足需要。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中，學(xué)生是活動(dòng)的主體，在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下積極完成車的造型和加工，能發(fā)現(xiàn)車結(jié)構(gòu)工藝性是否合理，并能將所學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電工基礎(chǔ)等課程中知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用上，做到了綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，做出造型美觀、結(jié)構(gòu)合理的車，完成了教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

圖2 卡丁車

四、3D打印培養(yǎng)學(xué)生參加創(chuàng)新競(jìng)賽

3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室提供了將設(shè)計(jì)、創(chuàng)意變成產(chǎn)品的一個(gè)空間。為了鼓勵(lì)更多的學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與3D打印的創(chuàng)作，每周定3次時(shí)間對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生經(jīng)預(yù)約進(jìn)場(chǎng)，有專業(yè)教師在場(chǎng)提供技術(shù)指導(dǎo)。在這種寬松的管理模式下，為學(xué)生提供了創(chuàng)新創(chuàng)作的場(chǎng)所，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位在這樣一個(gè)環(huán)境中將設(shè)計(jì)變成有一定功能的產(chǎn)品，完成了從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，完成了從學(xué)習(xí)到創(chuàng)作的升華。經(jīng)過(guò)這一年的實(shí)踐，有更多的學(xué)生受益，學(xué)生自主設(shè)計(jì)并打印出來(lái)的無(wú)動(dòng)力小車，造型美觀、無(wú)外動(dòng)力條件下能滑行數(shù)米，如圖3所示，在市大學(xué)生科技創(chuàng)新節(jié)無(wú)動(dòng)力環(huán)保小車設(shè)計(jì)與制作競(jìng)賽決賽中獲得三個(gè)二等獎(jiǎng)和兩個(gè)三等獎(jiǎng)；學(xué)生設(shè)計(jì)的“家居寶”空氣檢測(cè)儀，外觀流線型設(shè)計(jì)造型美觀，內(nèi)部有五個(gè)區(qū)域用來(lái)放電路板檢測(cè)空氣，在廣東職業(yè)院校創(chuàng)新創(chuàng)效創(chuàng)業(yè)大賽中獲得三等獎(jiǎng)。

圖3 無(wú)動(dòng)力小車 圖4 空氣檢測(cè)儀

五、3D打印在機(jī)械專業(yè)中的應(yīng)用展望

結(jié)合機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，3D打印培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，將抽象的、難以理解和掌握的知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的、能動(dòng)起來(lái)的、容易理解的實(shí)物，能很好地激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)習(xí)效果，值得大力發(fā)展和推進(jìn)。今后，在平時(shí)的教學(xué)中，在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，還需要更多地鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，做出有更多意義的作品，完成知識(shí)的升華。教師要善于設(shè)計(jì)一些有代表性、有趣味性、有創(chuàng)意的載體作為學(xué)習(xí)任務(wù)，發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢(shì)，突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，讓3D打印更好地為教學(xué)服務(wù)。