3D打印技術在“機械優化設計”教學中的應用研究＊

蔡盼盼，魯忠臣

3D打印技術在“機械優化設計”教學中的應用研究＊

蔡盼盼，魯忠臣

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

針對“機械優化設計”課程教學中存在封閉式教學、理論脫離實踐等局限性，將3D打印技術中的優化案例引入到教學環節中。通過學生課前調研、課上討論、課后總結等形式，提高了學生識別、分析和解決某一具體工程問題的能力。

3D打印；優化設計；案例教學；封閉式教學

“機械優化設計”是機械類專業的一門必修課程，其教學目的是使學生掌握優化設計的基本理論和方法，能夠解決實際工程中的機械優化設計問題[1]。目前課程教學中存在封閉式教學、理論脫離實踐等局限性，不利于提高學生的工程實踐能力，難以滿足課程教學中的需要。3D打印技術（3D printing）是快速成型技術中的一種，它是在數字模型文件的基礎上，運用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造零物件的技術。3D打印技術具有成型速度快、材料利用率高、生產周期短與數字化程度高等特點，目前已在機械行業及其他領域得到廣泛應用。本文擬將3D打印優化研究融入到“機械優化設計”教學中，運用打印成型方向和分層厚度的優化設計、噴墨路徑的優化設計等案例，調動學生參與討論、分析實踐的積極性，提高其識別、分析和解決某一具體工程問題的能力。

1 基于3D打印優化設計的案例選擇

1.1 3D打印技術中的優化設計

因現有3D打印成型效率和成型質量無法滿足工業級要求，但仍用于精度要求不高體積也較小的行業。為了進一步提高成型效率和成型時間，擴大3D打印技術應用的廣度和深度，諸多學者對打印設備、打印模型及打印過程等問題進行了優化設計。閔暢等針對FDM型3D打印機常遇到的模型坍塌、開裂，拉絲、噴頭堵塞等問題進行了原因分析，在總結現有結構存在的缺陷的基礎上對打印材料、控制和設備結構等方面進行了優化設計[2]；徐文鵬等通過模型力學計算建立了基于最大應力與材料允許應力比的體積優化模型，然后再對網格進行優化計算[3]；趙吉賓等通過分析多邊形輪廓的填充特點，提出一種填充掃描矢量方向的優化方法，建立了多邊形輪廓填充矢量方向的近似最優化模型[4]；西安電子科技大學梁永濤[5]提出了一種基于模型誤差計算調整分層厚度的自適應調節優化打印方法，該方法可在保證成型質量的前提下提高打印效率，對幾何特征復雜的三維模型同樣具有很好的分層效果。武漢理工大學的余世浩等[6]在對3D打印分層厚度的研究中具體論述了分層厚度與零件的成型質量、成型效率的關系，并建立以成型質量和成型效率為目標的多目標優化模型，然后采用遺傳算法對優化模型進行求解，基本實現3D打印零件分層厚度的優化選取。在上述優化設計中，對打印設備、打印模型的優化設計問題因涉及大量的數學推導和專業知識，內容多、難度大，不宜作為優化設計案例進行分析講解。而3D打印過程中的優化設計，學生可根據實習過程中3D打印中遇到的問題，對分層厚度、成型方向等參數進行優化設計，以解決實際工程問題。

1.2 優化案例的選擇

優化案例的選擇設計直接決定了案例教學法成功與否。在優化設計課程中，3D打印優化設計案例選擇應遵循以下原則：①可行性。即案例要結合教學目標、內容和授課對象的實際層次加以選擇或設計，過于復雜的案例易讓學生產生畏難情緒，過于簡單則難以調動學生的積極性。②典型性。即案例設計內容過程既要涵蓋優化設計需要掌握的知識點和方法，又包含學生3D打印實踐中遇到的典型問題。③啟發性。即選擇的案例可實現舉一反三、觸類旁通，能夠啟發學生獨立思考、自主探索，提高學生分析解決實際工程問題的能力。④真實性。即選擇的案例均來自3D打印過程中實際遇到的問題，或者尋找學生在打印中遇到的具有代表性的案例，以此激發學生的興趣。

2 優化設計教學中的教學改革

2.1 目前教學存在的問題

“機械優化設計”課程是以最優化理論為基礎，以計算機為工具，將優化設計方法應用于機械設計中。

優化設計課程主要分為理論分析和工程實踐兩部分，其教學目的是使學生掌握優化設計的基本理論和方法，能夠解決實際工程中的機械優化設計問題。目前，教學過程中存在理論脫離實際、教學方法落后、實踐環節薄弱等問題。

為了適應創新型人才培養需求，進一步激發學生的學習興趣，開拓學生的創新思維，增強學生的工程實踐能力，本文結合以上存在問題和學生調查問卷情況，并結合3D打印案例對優化設計課程進行改革設計。學生調查問卷情況如圖1所示。

圖1 學生調查問卷情況

2.2 基于案例教學的改革

2.2.1 課前準備

教師課前準備充分是決定案例教學成功的第一環節。因此教師在課前需要確定優化案例，并將實際工程問題拋給學生，如何提高3D打印過程中成型質量和成型效率。學生則需要根據案例問題查閱資料，分析目前提高成型質量或成型效率尚存在的問題，初步形成解決方案，為課上小組討論做準備。

2.2.2 課上小組討論

根據學生課前的準備情況，教師可將解決方案類似的同學分為一個小組，然后進行案例討論。在討論過程中教師要注意引導和啟發學生，使優化設計方案不斷完善。同時，注意以下幾點：①小組成員均要參與討論，說出自己的優化設計方案；②討論結束后小組成員代表說明本組最優設計方案思路，其他小組成員可予以補充或評價；③由于課堂時間有限，教師需要把握好討論時間。

2.2.3 課后總結

通過課上討論，學生對優化設計的過程及相關概念有了深入認識，此時，教師可將案例中用到的基本理論、基本方法及優化一般過程進行梳理介紹，使同學有更加清晰的認識。通過課后總結，可進一步強化優化設計相關知識點，又調動了學生學習的積極性。

3 案例教學中的評價考核

基于3D打印的案例教學強調過程管理和素質培養，因此，課程考核方式將采取相對靈活的方式：平時成績占總成績的60%，主要考核內容為課前作業的準備情況、課堂上小組討論參與情況及討論發言次數等內容。期末考試占總成績的40%，學生可根據課程學習內容，選擇3D打印實際工程問題進行完整的優化過程設計，最后研究內容以論文的形式提交。

4 總結

為了提高“機械優化設計”課程的教學質量，本文結合3D打印優化設計對案例教學法進行了探索和實踐。在分析教學問題的基礎上，通過課前調研、課上討論、課后總結及考核方式等環節設計，調動了學生學習的積極性和主動性，使學生的分析問題、解決問題的工程實踐能力得到增強。

［1］孫靖民，梁迎春.機械優化設計［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］閔暢，李錦，沈新明，等.FDM型3D打印機噴頭優化設計［J］.2017，8（21）：10-15.

［3］徐文鵬，王偉明，李航，等.面向3D打印體積極小的拓撲優化技術［J］.計算機研究與發展，2015，52（1）：38-44.

［4］趙吉賓，劉偉軍，卞宏友，等.快速成形制造中掃描方向的優化方法研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12（12）：2044-2048.

［5］梁永濤.基于點云的3D打印快速自適應分層算法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2015.

［6］余世浩，周勝.3D打印成型方向和分層厚度的優化［J］.塑性工程學，2015，22（6）：7-10.

G434

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.069

2095－6835（2019）14－0150－02

蔡盼盼（1988—），女，江蘇徐州人，碩士，研究方向為機械加工過程的數值分析與優化。

2017年華南理工大學本科教研教改項目（編號：x2jq/Y1171090）

〔編輯：張思楠〕