基于3D打印技術的零部件測繪實踐教學改革

李 榮，于 闖，吳 彪

(黑龍江工程學院，哈爾濱 150020)

引言

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，教育部積極推進新工科建設。2020年兩會期間，江蘇省委常委朱曉進提出：“雖然我國高校初步具備智能制造五類人才培養的基礎和條件，但仍面臨著教師實踐教學能力弱、實踐教育基礎條件不足等問題。”因此，培養面向未來的卓越工程創新人才，要致力于培養學生綜合運用知識解決問題的能力，真正做到圍繞企業需求培養學生能力，瞄準新技術發展改革教學內容及手段，充分利用資源提升教學成果。黑龍江工程學院作為黑龍江省特色應用型本科院校，將“轉型發展，全面提升，建設特色鮮明的高水平應用技術大學”定為“十三五”發展目標。而交通運輸專業作為黑龍江省重點建設專業，為培養滿足交通運輸行業需求、適應社會發展的專業人才，從校企合作、教學改革、師資隊伍及課程體系設置等方面做了大量工作，并取得了豐碩成果。

強化實踐教學是實現應用型人才培養的基礎之一，是學生的實踐能力、創新能力培養的核心環節。交通運輸專業為滿足應用型、復合型及創新型人才培養，近年來不斷進行教學大綱、教學計劃等的調整，還針對目前實踐教學存在的問題改進了實踐教學方法，不斷強化實踐教學環節，特別為低年級學生設計并開展綜合性實驗，以加強學生對專業的認識，培養其學習興趣，提高動手能力和創新能力。

一、實踐教學存在的問題

根據“卓越計劃”的培養需求，交通運輸專業進行教學大綱的制定并實施，大綱中規定在第二、三學期分別開設機械制圖、機械設計、公差與測量及先進制造技術等課程。實施五年來，相關教師通過畢業生信息反饋及實施過程的調研，發現目前低年級專業課實踐教學仍存在如下問題：

1.畢業生對課程教學的意見

(1)低年級學習過程中實踐教學欠缺，不能引起學習興趣，基礎知識掌握不牢靠，而高年級階段又受考研、找工作等壓力影響，因此畢業后專業知識匱乏、工作能力差。

(2)制圖能力差。很多企業目前正應用UG、Pro/E等三維建模軟件，而學生在校期間主要學習及實踐的卻是AutoCAD。另外，本科第二學期就開始學習機械制圖，可直到第七學期汽車設計課程才用到，導致繪圖技術不夠嫻熟，因此不能滿足企業需求。

(3)實訓零件短缺、老化、陳舊等。通常在實訓過程中一個班級只有3—4個完整的被測繪零件，因此相當一部分同學不需獨立完成，通過“找、買、抄”等方式就可提交設計作業。另外，雖然機械制圖課已經學習了CAD制圖，但課程設計仍然要手繪圖紙，對已經學習過的知識、技術不能反復練習使用，導致工作以后畫圖能力非常有限。

(4)公差測量實驗設備所用的都是一些常規儀器。例如，鋼板尺、游標卡尺、千分尺等簡單儀器，儀器操作煩瑣且手段落后，實驗內容主要是針對理論知識的驗證，內容枯燥，且存在綜合運用所學專業知識解決問題能力較差等情況。

2.教學實踐中存在的問題

部分教師仍然沒有從根本上認識到實踐教學的重要性，存在敷衍、觀望等問題；教師知識更新慢，所設計開展的實踐和企業實際人才需求脫節；教師的師資力量不足，導致新教學設備沒能發揮提高實踐教學效果等；教師負責課程單一，交流少，導致實踐課內容單一，缺乏融合多科知識的綜合性實驗；由于實踐教學全部附屬于理論課程，實踐教學不進行單獨考核，因此對學生缺乏約束力，不能引起學生的重視。

二、引入3D打印，優化零部件測繪實踐教學

作為“第三次工業革命最具標志的生產工具”，3D打印不僅影響著生產制造模式、航空航天以及醫學治療的革新，同時也給教育教學帶來了新的教學方法及手段[1—4]。3D打印技術日新月異，各種適合的材料也不斷涌現，被廣泛應用于越來越多的行業里。而具備3D打印技術的人才缺口十分巨大，據有關機構統計，我國3D打印方面的專業人才缺口超過千萬，且需求還會繼續上升。因此在教學中引入3D打印不僅能提高實踐教學效果，而且也讓人才培養真正做到了適合社會需求。

“機械制圖”是交通運輸專業學生必修的一門專業基礎課，為培養學生的實踐能力，結合該課程開設了“零部件測繪”實訓教學。該課程的主要目的是使學生在測繪典型零部件的過程中了解其形狀、結構、工藝及配合關系等，并能夠運用理論課所學的知識將其正確地表達出來，結合該零件實際使用功能、場合等，確定其尺寸及形位公差、技術要求、裝配方式等。通過該教學內容的實施，學生不僅鍛煉了AutoCAD制圖能力、查閱資料能力、數據分析能力，還可以掌握常規測繪工具的使用方法。在上述實踐教學基礎上開始引入3D打印技術，即完成上述工作的基礎上利用所測繪的零部件數據，學習使用UG或Pro/E軟件，對零部件進行逆向設計，建立零部件的三維參數化模型，通過相應的模型數據轉換及后處理，在3D打印機上打印相應的實物模型。

1.零部件測繪實踐教學改革措施

(1)制圖實踐教學內容的改革。目前機械制圖教學中所涉及的計算機輔助設計，其主要教授及應用的軟件是AutoCAD，而該軟件使用的目的主要是取代傳統的手繪制圖方式，提高制圖效率及質量。因此，結合該課程進行的零部件測繪實訓較原來的實訓內容僅僅是換了一種工具，而對于企業所需學生的三維想象能力及空間思維能力的培養并沒有幫助。通過對交通運輸相關行業進行調研，發現目前企業大多使用三維設計軟件，該軟件在設計零部件三維模型后，利用其工程圖模塊可方便轉換成傳統的AutoCAD二維圖，且可以在AutoCAD軟件中進行進一步的修改或完善。因此，在新的實踐教學內容中，要求在測量分析零部件數據的基礎上，利用機械制圖所學知識繪制其平面圖，利用Pro/E軟件繪制其三維模型并裝配。將三維設計軟件引入實訓中，不僅培訓了企業需求的相關技術，而且三維工程圖轉化二維剖面圖也彌補了一些同學三維想象力差的問題，學生對于零部件各方向的剖視及投影關系能更加直觀地了解，提高了所提交AutoCAD圖紙的質量。對于裝配即拆卸的逆向操作，很多機械產品設計階段不僅考慮零部件結構設計的合理性，也要充分考慮和其他零部件之間的配合關系，因此還可以利用三維設計軟件的裝配模塊，對原來拆卸完的零部件進行建模后裝配模擬。三維裝配模型的生成過程可直觀且及時發現零部件之間配合面的測繪數據正確與否(例如是否存在裝配干涉等問題)，以及進一步理解尺寸公差、形狀及位置公差在實際生產中的意義。

(2)測量工具使用的更新。傳統零部件測繪過程中僅僅講解了游標卡尺、千分尺等測量工具的使用，尤其汽車零部件形狀復雜，且通常是曲線、曲面類零件，就連桿而言，利用游標卡尺和千分尺只能相對準確地測量其孔徑、連桿長度等信息，而大小頭之間的連接過渡等卻無法測量。三坐標測量機較傳統的測量工具而言，通過側頭系統與被測零件間的相對運動，獲取被測零件上各測點的空間坐標位置，因此其測量尺寸數據更加準確，且自帶的數據處理軟件可求出零件的幾何尺寸、形狀及位置公差。通過新的測量手段的引入，不僅提高了學生的動手能力，也讓學生對公差配合有了更直觀的認識[4]。

隨著數字化技術的快速發展，大多汽車企業引進了三坐標測量儀，高校培養的人才要適應企業要求，就必須更新教學內容。因此，黑龍江工程學院在2014年就引進了三坐標測量機，利用該測量機進行零部件測繪實驗，學生不僅學習了新設備的操作規范，操作過程中也理解了機器的工作原理，因此實訓手段改革有利于培養學生的就業能力。

(3)3D打印技術融入實驗教學。工信部等12部門在《增材制造產業發展行動計劃(2017—2020年)》中提出，到2020年增加制造產業年銷售收入超過200億元，增速在30%以上。因此，3D打印技術也成為工科高校畢業生必須掌握的技術之一，可大大提高其就業競爭力[5—8]。2017年學校汽車與交通工程學院引進了3D打印機來改革原有的零件測量實驗。將3D打印引入零部件測繪實踐教學中，使得學生在了解零件工藝結構、熟練應用測量工具及制圖軟件的基礎上，最終可通過3D打印提交實物成果，從而提高了學生的學習興趣。

2.實踐教學實施模式

為培養應用型人才，近年來學校加大了實踐教學改革，并大量引進新的教學儀器設備，如，三坐標測量機、FDM(熔融固化型)3D打印機、PRO/E等，從而為零部件測繪實訓改革奠定了基礎。改革后的教學模式組織如圖1所示。教師先講解實訓任務、流程及各儀器設備的使用方法，然后學生分組及分配相應的測繪零件，經過討論查閱資料明確被測繪零件功能原理并確定其結構工藝，清洗及干燥零件，以保證在三坐標測量儀上測量零件時不劃傷測量臺，且保證測量精度；使用三坐標測量儀時，要嚴格按照操作要求對設備進行使用前檢測，避免測量過程中側頭和工件發生碰撞，測量軟件參數要合理設置，從而生產合理可靠的測量數據結果。結合前期學習的機械制圖知識，根據測量結果繪制零件三維模型，并標注尺寸及公差等，輸出零件的STL格式文件；在3D打印機里輸入零件三維模型，進行分層處理，將模型“切割”成一定數量的二維薄片(0.1mm)，將數據發送給3D打印機的控制系統，執行打印生成實體模型。

3.實踐教學案例

將三坐標測量及3D打印的先進制造技術引入零部件測繪實訓，極大地引起了學生主動學習的積極性，真正實現了體驗式教學，從而加強了學生對零件結構的感性認知[9—10]。圖2為物流專業學生零部件測繪實訓案例。在為期兩周的實訓中出現過很多問題，如，零件固定不合理而造成測量數據不準確、建模不合理使得STL模型不能在3D打印軟件中進行切片處理、3D打印過程中厚度設置不合理使得打印出來的零件失敗等。在解決上述問題過程中，學生通過分組討論、查閱資料等方式進行：

(1)鍛煉了使用PRO/E軟件的能力，更加深刻地理解了零件的結構工藝、尺寸的合理標注及公差配合等重要性。

(2)學會使用三坐標測量儀及3D打印機的過程，且更加明確了操作規范性的重要性。

(3)通過發揮各自優勢合理分工，鍛煉了學生團隊合作意識。

結束語

企業為提高競爭能力，就必須做好應對新技術革命的準備，而高校培養的人才是否具備新技術決定著企業的市場競爭力。為此，我們針對原有零部件測繪實訓中存在的問題進行分析，在改革實訓內容及手段中引入3D打印新技術，效果的確良好。實訓過程中從零件清洗、測量、繪圖、3D模型制作等各個環節學生都參與并合作完成，不僅調動了學生的積極性，鍛煉了其實踐動手能力，實物成果的提交也讓學生體驗到了學習的成就感。參與實訓的11組同學，最終提交的產品模型有8個合格，可用作后續學生實訓的測量對象，因此也解決了原來教學過程中測繪零部件損壞、老化等造成實驗元器件短缺的問題，從而節約了教學成本。