3D打印在創新實訓中的應用與實踐①

高 波，宋 娟，賀海燕

（榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000）

3D打印是以計算機圖形數據為基礎，通過逐層堆積的方式構建實體的，具有高柔性制造以及對復雜零件自由快速成型的特點[1]，在教育、電子、醫學、建筑工程等領域廣泛應用。徐巍等人將獨立的理論知識教學與工程實踐教學聯系起來，以學生為中心，采用多媒體課件、現場演示和實際操作相結合的方式開展“創客教育”[2]。王小新團隊在塑料制品設計課程教學中將工程實踐中廣泛應用的CAD/CAE技術和3D打印技術引入課程教學，提高該課程教學效果的同時促使學生學習和應用CAD/CAE軟件[3]。張濟明以中職《3D打印項目課程》開發為研究內容，通過情境學習促進人才培養[4]。朱鵬將3D打印技術應用于職業院校機械制圖課程教學中，從課程設計、課程實施、課程測試等方面進行創新改革[5]。

教師要把“雙創”教育融入思想政治教育、文化課程教育、專業課程教育、社團活動、實踐活動之中，讓高校學生在掌握扎實專業知識的同時，具備較強的創新意識和創業意識，從而提升高校學生的創新能力和創業能力[6]。由于個體差異，學生對知識的掌握程度不盡相同，部分學生缺乏創新能力，缺少主動發現并解決問題的勇氣和能力，甚至有的學生內向且缺乏自信導致回答問題時不能完整地表達其真實想法，需要開展多種教學形式以提高學生的綜合能力。本文在榆林職業技術學院慧魚創新實訓課程中添加3D打印內容，通過創新實訓的形式提高學生創新能力。

一、3D打印技術

（一）3D打印原理

3D打印技術按照成形工藝可分為：基于激光或高能量密度熱源的成形技術（包括光固化成形SLA、分層實體制造LOM、選區激光燒結SLS和選區激光熔化SLM等工藝）和基于噴射的成形技術（包括熔融沉積制造FDM、三維印刷成形3DP等工藝）[7]。

3D打印技術基于“離散/堆積成形”的思想，其步驟為：首先設計三維模型；然后根據工藝要求將該模型離散為一系列有序的二維單元（切片）；其次根據每個層片的輪廓信息進行工藝規劃，根據加工參數自動生成數控代碼；最后逐層打印并堆疊得到三維實體，3D打印技術原理如圖1所示[7]。

圖1 3D打印技術原理

（二）3D打印設備

根據3D打印的特點和成本及推廣程度，本文涉及的工藝是FDM和SLA。主要設備為基于FDM工藝的MakerBot Replicator Z18和基于SLA工藝的CREALITY LD-006，切片工具為打印機配套軟件，三維建模軟件為CATIA P3 V5R21。

二、慧魚創新實訓

為了培養學生的創新思維，進一步提高學生的動手能力和團隊協作能力，并鍛煉其隨機應變和語言表達能力，榆林職業技術學院根據機電一體化技術專業的人才培養方案開設慧魚創新實訓課程。該課程以慧魚創意組合模型為載體，開展為期1周30學時的實訓。該實訓開設在五年制機電一體化專業第8學期，學生已經學習了機械制圖、機械設計基礎、UG、液壓與氣動技術、自動檢測技術、PLC應用技術、創新創業等課程的相關知識，有一定的專業知識儲備。

該實訓一周五天的授課安排為：3D打印、機械作品創新設計、電子作品創新設計及編程、氣動模型創新設計、綜合創新設計及總結匯報。課程考核成績構成為：平時成績占比20%、創新作品設計占比40%、作品匯報（作品、視頻介紹、說明書、PPT和路演成績）占比40%。其中3D打印模塊6課時，具體安排為：三維模型繪制（3課時）、模型處理及3D打印機操作（1課時）、創新設計2課時。由于上課時間有限，實訓室全天向學生開放，學生可利用課余時間完成作品打印。

課堂上教師以啟發式引導為主，通過生活中的案例的升級和改裝，激發學生學習興趣，讓學生通過制作簡單模型，提高其動手能力。利用不同的案例潛移默化，增強學生的創新思維意識，提升發現問題及解決問題的能力。在教學過程中及時調動學生參與課堂的積極性，培養學生的階段性成就感，并在與團隊的協作過程中培養學生與人溝通的能力和職業素養。實訓中全程貫穿課程思政內容，構建全員育人、全程育人、全方位育人格局，實現教育立德樹人的根本任務。

三、實訓中的3D打印案例

（一）三維繪圖：未來的她的禮物

由于學生已有三維軟件建模的基礎，再使用CATIA軟件進行模型繪制會較容易上手。課程內容包括草圖設計、零件建模、裝配體設計和曲面設計等。由于實訓時安排3D打印教學的時間較少，不能系統地講授所有操作命令，對學生的吸收能力要求較高。

思路來源：課間休息時，一位學生談論到他要設計一個3D打印作品送人，不知道該怎么設計。其他學生起哄說該同學要去約會，要為其女朋友設計禮物。為了提高學生設計熱情，授課教師跟隨氣氛進行設計。

教學過程：

1.教師調侃道“隨手畫個圖就能當禮物，那么大家就一起給未來的她設計一個禮物”，讓學生跟著一起繪圖。打開CATIA軟件，選擇“零件設計”模塊，隨即打開繪制草圖命令，根據學生的意圖，隨意畫了個圖形，如圖2所示。學生討論該圖形像半個翅膀、飛機、飛鏢等。

圖2 草圖繪制

2.退出草圖，選中旋轉體命令，隨機選中軸線繪制出旋轉體，如圖3所示。有學生表示像音箱，建議安裝語音模塊，中間小圓位置安裝傳感器，當有人接近時播放錄好的語音，設計出“具有表白功能的藍牙音箱”。教師變換軸線，感受不同旋轉軸時的圖形變化，講授回轉體的相關知識。變換軸線后的作品如圖4所示，分別被調侃為“老丈人的煙灰缸”“女朋友的花瓶”和“代替搓衣板的凳子”，學生學習的熱情高漲。

圖3 旋轉體作品

圖4 煙灰缸、花瓶和凳子

3.練習“Ctrl+z”快捷撤銷命令，撤銷至圖3。看到有學生在座位上晃動，調侃其坐上了“代替搓衣板的凳子”，被扎了一個洞，疼得來回晃，為大家展示其被扎后的樣子。隨后點擊“凹槽”命令，在圓環的位置畫一個圓形的凹槽，如圖5所示。點擊模型樹上的“凹槽”命令，以“扎幾厘米深”“扎到骨頭”和“直接扎穿”等詞的描述，形象地講述定義凹槽時“尺寸”“直到平面”和“直到最后”等選項的區別。在草圖中點擊“標注”命令，進行尺寸標注。使學生在愉快的氣氛中主動探索，學習模型樹操作、定義凹槽和標注等功能。此外，還可以用“孔”命令繪制圓孔，由學生根據軟件提示自行繪圖。

圖5 繪制凹槽

4．通過“經常犯錯誤，被扎了好多次，怎么畫圖才能減少工作量？”引導學生建立出“陣列”意識。點擊“圓形陣列”命令，陣列對象選擇之前繪制的凹槽，選擇環形平面為參考元素，實現圓形凹槽的陣列，如圖6所示。隨即演示“矩形陣列”的使用方法，讓學生觸類旁通。

圖6 圓形陣列香皂盒

5.點擊“盒體”命令，選擇圓環附近的曲面，完成“箱體”操作，如圖7所示。該造型被學生想象為“水果籃”“煙灰缸”和“香皂盒”，該操作通過極少且不重復的命令調動了學生學習的主動性。

圖7 繪制盒體

6.模型樹中刪除“盒體”命令，使其返回為圖6，假設“香皂盒”棱角太鋒利有可能割破手指，引導學生設計出倒圓角。點擊“倒圓角”命令，選擇最上端棱角，添加5mm倒圓，如圖8所示。刪除倒圓并添加倒角，為學生講述倒圓和倒角的作用和區別，以及在生活中的應用。

圖8 添加倒圓

7.點擊“平面”按鈕，選擇“偏移平面”創建一個輔助平面，如圖8所示。為學生講授為何要做輔助面，同時講述其他建立輔助面的方法。

8.以“用肥皂洗臉時照鏡子”為例，向學生提問怎么快速繪制此類圖形？部分學生根據提示在軟件的工具欄中找到“鏡像”命令，根據軟件提示自行掌握了該命令的使用方法。點擊“鏡像”按鈕，選擇最下端的平面為“鏡像平面”，繪制如圖9所示，被稱為“小姨子的空竹”。以上一步中繪制的平面為鏡像平面，鏡像后如圖10所示，該圖被戲稱為“小舅子的溜溜球”。

圖9 空竹

圖10 溜溜球

9.通過與學生互動，找出該“溜溜球”設計得不合理之處是現有凹槽太淺，無法放置細繩，需要進行“環形挖槽”，引出“旋轉槽”命令，使用該命令后如圖11所示。

圖11 旋轉槽

10.已經通過簡單命令設計出了“空竹”和“溜溜球”的玩具，提示學生繼續發散思維，最終聯想出“腹肌輪”。通過引導，學生用“凸臺”命令為該“溜溜球”拉伸出一端手柄，并利用“對稱”命令使其成為“腹肌輪”，如圖12所示。通過討論，從草圖中直接改變形狀，使其直接變為“腹肌輪”，減少了繪圖步驟。

圖12 腹肌輪

11.引導學生繼續發散思維，通過“腹肌輪”右側平面進行鏡像，完成“小舅子的杠鈴”的設計，如圖13所示。

圖13 杠鈴

12.“以杠鈴太重，送給小舅子不方便”為切入點，講述“縮放”和“仿射”命令，使模型按比例縮放，完成最終的三維繪圖教學。

總結回顧：

通過隨意繪制草圖，完成“煙灰缸”“花瓶”“香皂盒”“空竹”“溜溜球”“腹肌輪”和“杠鈴”等設計，通過融洽歡快的氣氛引導學生應用“草圖”“旋轉體”“凹槽”“標注”和“圓形陣列”等16個繪圖命令，學生充分融入課堂又能及時完成各項操作，高效掌握繪圖技能。本案例涉及的操作命令如表1所示。

表1 繪圖命令匯總

（二）創意設計：創意筆筒（圖書館造型）

為了培養學生的創新設計能力并提升繪圖技能，以榆林職業技術學院圖書館為原型，進行文創產品設計，最終通過3D打印技術加工為創意筆筒，如圖14所示[8]。

圖14 創意筆筒

該作品尺寸200×85×110mm，為PLA材質，總重量110g。結構外形與榆林職業技術學院圖書館相似，為中空的鏤空結構。繪制該作品時應用到“凸臺”“凹槽”“倒圓”“倒角”“矩形陣列”“鏡像”和“縮放”等操作命令。授課過程中教師只講大體思路，給出圖紙后由學生自行完成。完成繪圖后導入切片軟件，設置層高、速度和填充率等參數，導入3D打印機開始打印。打印完成后進行模型后處理，設計專用包裝盒提升作品檔次。

在設計中去除臺階和其他不必要細節，中間放置筆筒等物品，前端可放置優盤和橡皮等較小物品。筆筒背面預留有音樂盒機芯連接孔，放置音樂盒機芯后擰動發條即可發出音樂，如圖15所示。下部空間可放置小抽屜，實現空間完美利用。筆筒將圖書館側面的裝置柱子抽象為凹槽，可放置銀行卡和名片。

圖15 創意筆筒背視圖

筆筒中間位置由于放置音樂盒占用空間，將其設計為凸臺結構，其上方可定制文字內容，如圖16所示，該位置可放置小夾子等物品。該筆筒可作為辦公用品或工藝禮品，具有一定的市場推廣價值，可在校園科技節、畢業晚會和招生宣傳中廣泛應用。

圖16 創意筆筒局部圖

（三）思政作業：紅歌音樂盒

為了讓學生充分掌握繪圖技能、提高識圖能力和創新思維，給學生布置主題為紅歌音樂盒的課程作業。為學生提供音樂盒機芯，鼓勵其自主設計外殼并通過3D打印加工。加工好的外殼放置機芯后，擰動發條即可發出相關音樂，音樂盒機芯及其圖紙如圖17所示。

圖17 音樂盒機芯

提供的音樂盒機芯曲目有《東方紅》《我和我的祖國》和《國際歌》等，學生設計外殼時會用到一些相關元素，通過教師講授相關背景知識，弘揚愛國主義精神，激發愛黨、愛國情懷，將課程思政悄然融入其中。

四、結語

本文提出的將3D打印技術融入創新實訓中并全程貫穿課程思政內容。通過實踐教學，創新實訓引入3D打印內容后，學生的創新能力明顯提升，可自己獨立設計并制作出多款3D打印作品，或為科技作品加工外殼。同時學生成立了3D打印創客社團，吸引了大量學生參加，還可為興趣小組的學生開展培訓。引入3D打印技術后，學生積極參加各級創新創業大賽、機械創新設計大賽和職業院校技能大賽，都取得了較好的成績。所以，該教學模式能有效地發揮學生主觀能動性，激發學生的創新熱情和學習興趣，從而提升教學效果。