3D打印与机械类专业教学相融合的应用与探究
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摘 要：3D打印技术作为新一轮工业革命的核心技术，是智能制造的核心内容。本文介绍了3D打印技术在机械类专业课程教学中的应用，实物教具进入课堂教学，能够提高学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的掌握;同时还介绍了3D打印技术在实践教学中的应用，学生利用3D打印完成产品的设计与制作，培养学生的实践能力和创新思维，对学生今后的专业技能和职业发展产生深远影响。
关键词：3D打印;课程教学;实践教学;创新
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.187
0 引言
上世纪九十年代，制造技术迎来了一名新成员——3D打印技术（又称增材制造技术）。它的出现，是制造科学与技术发展的新机遇，是制造业有代表性的颠覆性技术，被视为“第三次工业革命”的代表。它的发展在一定程度上反映了国家的经济活力，是支撑创新和创业的利器，是“中国制造2025”的发展关键[1]。3D打印技术的实施，一方面能快速改变我国传统产业面貌和发展模式，以原先制造所用的一半时间、一半成本，提升我国制造业的竞争力;另一方面能带动设计、制造和材料三位一体发展，存进相关产业的发展与提升，有力推动我国制造业转型升级。
高校作为创新人才培养的主要场所，应大力发展3D打印技术，不断探索和寻找该技术与不同专业的结合点。将学生所学专业与3D打印技术相结合，利用其优越性帮学生更好地掌握专业知识，使学生在设计过程中激发创新思维，在实践过程中锻炼动手能力。
1 3D打印技术简介
3D打印技术，属于快速成形技术的一种。首先通过计算机辅助设计建模软件建模，以此模型文件作为基础，然后通过相关软件将模型进行“切片”处理，电脑将这些切片信息传送到3D打印机上。3D打印机运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，根据这些数字切片喷涂一层层的薄型层面，再将薄型层面堆叠起来，最终完成一个实体模型。它的出现体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的紧密结合，是先进制造业的重要组成部分[2]。
3D打印技术与传统的制造技术相比较，大大缩短了生产时间，减少了材料的浪费，降低了生产成本，提高了产品的可靠性，同时可以制作相对复杂结构的产品，满足个性要求等。随着科技技术的不断发展，3D打印将会引发生产方式和社会生活的变革。
2 3D打印与课程教学相融合
在传统的机械类课程教学中，整个课堂教学方式单一。虽然课堂上教师采用了多媒体技术与板书结合的方式，但依然是以教师为主的一味灌输，课堂枯燥乏味，学生很难参与并理解，教学效果不尽如人意。将3D打印技术应用到机械类的课堂教学中，学生直接面对实物模型，增强学生的认知能力，提高课程教学效果。
2.1 与机械制图相融合
图是工程师的语言，作为机械专业的学生，看图能力和绘图能力两者缺一不可，那么机械制图课程的重要性不言而喻[3]。但机械制图课程对学生的空间想象力有很高的要求，比如两个形体相贯后的相贯线，用平面截切立体形成的截交线，组合体的视图等，如果想象不出来，就会使得这门课程学习起来非常困难。在机械制图课程中融入3D打印，教师可以根据实际教学，打印出所需要的任何模型，这些模型的制作非常简单方便且制作成本低廉，但却能很好的为学生解答学习中的困惑。学生可以根据具体的实物图，观察各种线的形成进而绘制三视图。学生在大量的三視图与实物图之间进行反复对照研究，找出制图中遵循的规律，并在实践中加深理解。
2.2 与机械原理相融合
机械原理课程是一门知识面较广，实用性较强的课程，笔者在近五年的教学中，学生普遍反应本门课程学习起来较为困难，说明目前的教学模式还有待改进。在机械原理课程中融入3D打印，将大大改善原有的教学模式。例如在讲解平面连杆机构的基本知识时，可以让学生以小组为单位，提前用3D打印机打印出长短不一的连杆。教师在上课时采用探究式和启发式的方式来授课，学生根据自己手里的连杆拼接平面铰链四杆机构，以任意长度的四个连杆进行组合，探索曲柄存在的条件，并在此基础上进而探索以不同构件作为机架时，铰链四杆机构的类型的变化。这样可以调动学生在课堂学习的兴趣，活跃课堂氛围，增加学生课堂的参与感，提高教学质量。
3 3D打印与实践教学相融合
实践教学作为课程教学的重要组成部分，是对理论教学的补充和延伸，与理论教学相辅相成。学生在实践过程中，运用理论所学，提高自身实践动手能力和创新能力[4]。我校增材制造创新中心（又称“3D打印实验室”）成立于2017年11月，配备有50台3D打印机。该实验室为开放型实验室，可以满足学生完成产品的设计、打印和后期处理等，使产品达到一定的功用。3D打印技术与实践教学相融合，鼓励学生参加创新比赛，提高学生的实践能力和综合设计能力。
3.1 与三维制图软件相融合
3D打印作为一种先进的制造技术，吸引了不少大学生的好奇心。学生只有在计算机里绘制出产品的相应模型，打印机才能将模型打印成成品。这就要求学生必须熟练掌握三维绘图软件，如SolidWorks、Pro/Engineer、3DMAX、UG等等。虽然我校并没有开设三维制图软件的相关课程，但随着3D打印实验室的建立，在我校学生中间掀起了一股学习三维软件绘图的热潮。学生能深切地意识到绘图能力的重要性，才能更主动地去学习，学习效率大大提高。只有掌握了三维绘图这个基本技能，3D打印才能发挥作用。
3.2 与课程设计相融合
课程设计是专业课程的最后一个环节，是对学生进行的一次全面的设计训练。我校机械设计的课程设计内容一般为机械装置（如结构简单的机械、机械传动装置和减速器等）的设计。设计时间一般为三周，要求学生最终提交装配图、重要零件的设计图和设计说明书。这种传统的课程设计仅停留在纸面上，导致效果不佳。将3D打印技术与该课程设计相融合，引入三维绘图设计的新思路。学生首先在三维绘图软件中进行减速器的零件的设计，然后完成减速器的装配，在装配过程中，观察各个零件的配合情况以及是否发生干涉，最后利用3D打印机将所有零件打印出来并完成组装。这样一个完整的减速器就做出来了。这种利用3D打印技术对计算机所建的虚拟模型进行实体制造，可以大大增加学生的兴趣和学习主动性。这种设计方法也可以对其他的课程设计起到借鉴作用。 3.3 与大学生创新创业相融合
为适应“大众创业，万众创新”的新浪潮，培养创新创业的主力军，激发大学生的双创热情，我校3D打印实验室为学生的双创提供了基础设施，在很大程度上能够促进双创项目的完成。学生根据创新创业项目要实现的功能和目标，提出自己的创意和想法，利用绘图软件设计出三维模型，再打印成成品，对打印的成品进行后续处理并进行优化改进，最终变成能够实现某特定功能的产品，完成了设計到制造的一体化。让更多的学生参与到创新设计中来，感受科技的魅力，让更多的学生受益。
3.4 与学科竞赛相融合
学科竞赛是培养创新型人才的重要环节，是培养大学生团队合作精神的有效途径[5]。我校3D打印实验室的创建，为学生提供了一个可自由发挥的平台，学生参加学科竞赛的积极性明显提高。我校学生的作品“集中货物长行程遥控避障起重机”在2018年中国大学生机械工程创新创意大赛“矿源杯”第三届全国大学生起重机创意大赛中获奖，该作品中除了控制部分以外其余零部件都是学生自己设计使用3D打印机打印完成。我校学生团队参加2018一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛——首届工业结构优化设计及其增材制造技术大赛，荣获工业结构优化设计及其增材制造技术大赛团体三等奖。
4 结束语
3D打印作为新兴的先进制造技术，将其技术优势与机械专业课程相融合，全面拓展和完善教学方法，不断推进实践教学，构建理论和实践相结合的课程体系，培养学生的实践创新能力，更进一步激发学生对机械设计的兴趣，提高学习效果。今后还应不断探索3D打印与其他专业课程的融合，让3D打印更好地为课堂教学服务，更好地为学生的创新能力培养服务。
参考文献：
[1]王强，姜明伟，郭书贵.中国增材制造产业发展现状及趋势分析[J].中国科技产业，2018（02）：52-56.
[2]杜国光，周明全，周蓬勃，付倩.未来设计新思路探讨——从传统制造技术到3D打印设计新框架[C].北京：第三届交互设计国际会议，2013.
[3]吴晓东.浅谈机械制图在机械制造中的应用[J].中国化工贸易，2014（13）：83.
[4]江帆，张春良，王一军.机械专业学生主动实践能力培养体系构建[J].高等工程教学研究，2016（01）：187-192.
[5]刘允，张雅芳.高校学科竞赛组织管理工作研究[J].扬州大学学报（高教研究版），2010（04）：31-33.
作者简介：赵婕（1990-），女，山西运城人，硕士，助教，研究方向：智能制造技术。
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