3D打印技術及其對機械教學的啟迪

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著科技的發展，各種各樣的新型科學技術隨之出現。3D打印技術的出現轟動了全國，并在一些地區和一些領域進行推廣，取得了有目共睹的成果，所以3D打印技術受到人們的熱捧。自2011年以來，3D打印技術應用于制造工商業，技術研究使用掌握在一些制造業企業手中。而在現如今的職業教育中，尤其是機械、材料方面的教學，3D打印技術沒有做到相應的對接。探究3D打印技術與機械教學間的關系對接，以有助于機械教學的順利進行。

[關? ? 鍵? ?詞]? 3D打印技術;機械教學;機械零件模型;直觀體驗

[中圖分類號]? G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）02-0078-02

近些年來的科技發展速度前所未有，新技術、新科技層出不窮，令人目不暇接，各種科學技術的應用也在社會中快速推廣。其中，3D打印技術很受人們的青睞，尤其在機械材料方面，認為其用途潛能和開發前途無量。這主要取決于3D打印技術的特點，下面就具體從3D打印技術的發展歷史、原理特點、應用領域等方面進行分析。

一、3D打印技術剖析

（一）什么是3D打印技術

我們可能認為3D打印技術是一項相當新的技術，但是這項技術其實是在20世紀80年代發明的。當然在那時，有許多同3D打印技術一樣的新技術誕生。有史以來第一個3D打印專利于1986年成功發布，截止到今天，3D打印技術已經發展得相當成熟。例如前段時間就有新聞報道，我們已經用3D打印技術打印出二層辦公樓，使用壽命長達50年。3D打印技術其實是一種在計算機中以數字模型為基礎，運用粉末狀的金屬、塑料、砂、陶瓷、尼龍、石膏、橡膠等黏合材料，通過一定的設備逐層打印的方式來構造物體的技術，是一種快速成型技術。

（二）3D打印技術原理特點

3D打印技術的原理是將一些裝有粉末狀（液體狀和片狀）的金屬、塑料、砂、陶瓷、尼龍、石膏、橡膠等可黏合的原材料的打印設備在與計算機連接后，通過計算機的控制可以把這些“打印材料”根據數字建模一層層疊加起來，最終把計算機上的數字模型變成實物。3D打印機就是一種可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個立體玩具、打印一個立體手辦，也可以打印各種立體模型，只要一般能夠想到的立體物件，它都能辦到。之所以稱其為“打印機”，主要原因是它參照了普通打印機打印的技術原理，3D打印技術的逐層打印的方式與普通打印機的噴墨打印方式十分相似，不過一個是立體的，一個是平面的。3D打印技術的打印機通過讀取計算機數據中的橫截面信息，用粉末狀（液體狀或片狀）的材料將這些截面逐層地打印出來，再將每層截面以各種方式黏合起來從而制造出一個立體實體。有3D打印技術的這種特點，我們通過它幾乎可以造出任何形狀的物品。

話說回來，如果我們現在需要一個模型，若用以前傳統方法來制造的話，先要設計數字模型，再根據模型數據設計制造出各個部分的模具，再通過模具造出模型各部分然后將它們組合在一起，一個模型就做好了。而要做出一個這樣的模型需要數小時，復雜的甚至要數天。而用3D打印的技術制作模型，過程就沒有那么復雜，只需要在計算機上做好數字模型，準備好原材料，連接3D打印機開始工作就好，工作人員只需要適當控制，進行制作速度修正（有些材料需要一定時間的凝固成形），從這一點就可以看出3D打印技術的速度更快。另外，3D打印技術的原材料成本較低，而成本低的材料就可以大量生產產品，這可以看出3D打印技術的另一個優勢。還有就是3D打印機體積小，能節省大量空間，很適合一些設計者或概念開發小組。

（三）3D打印技術應用領域

3D打印存技術應用領域廣泛，既取決于它的高效率，還取決于它的包容性。它的包容性是可以用多種打印原材料和多種的打印方式來構建和創建物件。根據這些特性，才讓3D打印技術應用在很多領域。比如在航空航天領域，3D打印技術可以打印鷹眼警用無人機結構件、火箭離子推進器篩網、航天器芯片散熱器、金屬3D打印航空渦噴發動機等;比如在汽車制造領域，3D打印技術可以打印車架、保險杠、油箱、進氣罩、油泵、閥門、汽車儀表盤等;還比如在醫療領域，3D打印技術可以打印3D打印術前模型，3D打印手術導板，3D打印脊柱、膝關節和髖關節假體等;再比如在文化創意領域，3D打印技術能夠打印人物模型、珠寶首飾、卡通漫畫手辦等。涉及領域之多足見3D打印技術在生活之中的廣泛應用，幾乎在生活中的方方面面都能找到可能。

二、3D打印技術對機械教學的啟迪

（一）傳統機械教學

機械教育是一門具有很強理論性和實踐性的課程，機械理論和機械實踐這些基礎對機械教育尤為重要。而在傳統的機械教學中，大多注重理論教育，對實踐教育是有心無力的狀態，為什么這么說呢？按理來說，實踐教育是可以把枯燥而又抽象的機械原理變得直觀生動的，實踐可以讓學生眼、手、腦并用，互相配合，讓學生看、做、想結合，加深學生對機械原理的理解，并留下深刻的印象。所以機械實踐教學中需要一些機械零件模型，而機械零件模型在數量上難以滿足人手一件的需求，而且有些教學用的機械零件模型造價昂貴，只能讓學生進行觀摩。課堂上要實際操作機械零件模型，由于學生眾多，課堂時間有限，分配到每個學生身上的體驗時間很少，大多數學生根本沒機會上手進行實際操作，這也大大影響了整個機械教育教學的質量。當然，學校也通過其他方法來解決機械模型稀缺的問題，比如理論聯系實踐，在生活中引入常見的事物，或者利用多媒體制作一些簡單的動畫進行演示，又或者是讓學生自己動手自制一些模型與實物對比。學校想通過這些方法改變枯燥抽象的機械教育方法，來增加直觀性和互動性培養學生的學習興趣。但是想法很豐滿，現實很骨感，這些方法對于那些想象力、空間能力、抽象能力較強的學生來說有一定的幫助，但是對于普通學生來說只靠看演示根本沒辦法理解體會原理，機械零件模型對他們的學習來說很重要。若不解決這些問題，不但不會讓他們對機械教學產生興趣，甚至還會因為看不懂、想不透原理而摸不著頭腦，然后學生可能就會逐漸失去信心，甚至產生厭學情緒，這樣很不利于機械教學。

（二）3D打印技術在機械教學中的應用

通過對傳統機械教育的分析，我們知道了機械教學中實踐教育在教學過程中出現機械模型稀缺的問題，這是一種硬性問題。解決這種實踐教學中機械模型稀缺的問題，需要校方大力投資，補充機械零件模型數量，增加實踐課堂的數量，但是由于資金等原因，這種解決方法實行有待商榷，這時3D打印技術走進了我們的視野。我國3D打印技術產業已經進入高速發展期，而3D打印技術的特性原理能與機械教學很好對接。由于3D打印技術是一種數字技術，技術人員通過對數字信息的控制，用計算機操作，采用逐層打印的方式來制造立體實物，這在很大程度上使生產過程簡化，省去了很多復雜的制作過程，再配合廉價的打印材料，既方便了制作流程，又節約了生產成本。回到模型稀少的問題上，我們完全可以利用3D打印技術來制作模型，由于機械模型都是看得到摸得著的立體物件，以往大批量生產制造要耗費大量時間和金錢，但是有了3D打印技術，這些擔憂都可以迎刃而解。打印機械模型比制造機械模型在制作過程中能節省許多工作流程，3D打印技術在打印模型時只需要一個技術員，在計算機里設計好數據模型，再將計算機連接好3D打印機，然后就開始打印，只要打印材料充足，想打印多少機械零件模型都可以，數量上可以滿足需求，而且操作打印流程簡單，這點完勝一些模型工廠。3D打印技術操作簡單，具有高度的穩定性，即使有什么問題也能夠及時調整。在機械零件模型打印中，我們也可以通過機械零件模型材質的特點，選擇不同的打印材料。3D打印技術就很好地解決了機械模型稀缺的問題。

解決了機械模型稀缺的問題，對機械教學來說，就能達到事半功倍的效果。試想一下在機械教學實踐課中，學生人手一件機械模型，就能做到直觀體驗。例如在上課過程中講解四桿機構時，教師就可以用3D打印機打印出的模型分發到每個學生手里，讓他們親手轉一轉，觀察后就能對極位夾角、共線、急回特征、死點位置等概念有著深刻理解，這種理解是透徹的，是刻骨銘心的。在機械教學實踐教育中，機械模型可以把枯燥抽象的機械原理變得直觀生動，可以讓學生眼、手、腦并用，互相配合，讓學生看、做、想結合，加深理解，并留下深刻的印象，從而對機械學習產生深厚的興趣。有了機械模型，在深厚學習興趣的驅動下，學生會主動思考，在思考之中會迸發出一種不可忽視的創造力，這樣的創造力會讓機械教學取得很大的成功。

三、結語

3D打印技術是我國工業方面的一次重大變革，它可以應用到生活中的各個方面，3D打印技術的出現促進了我國各行各業的發展，為各行各業提供了技術支持，縮短生產線，節省人力物力，提高了生產效率，為各行各業提供了方便。3D打印技術能夠打印出立體物件，而機械教學需要立體物件模型，3D打印技術與機械教學的組合，讓機械教學充滿了活力生機。3D打印技術在機械教學中的應用也讓我們看到了科學技術能夠改變生活，科學技術能夠改變認知，通過科學技術的應用來解決我們已知的一些問題，所以說二者是可以相互促進的。同時，我們應該擺脫固定思維，靈活運用各種新技術，使生活工作的效率變得更加高效。

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編輯 司 楠

作者簡介：劉永利（1966—），男，黑龍江綏化人，淮安信息職業技術學院教授，研究方向：逆向設計及3D打印技術應用。