李志勇

摘要：本文在分析3D打印應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)的可行性基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械專業(yè)日常教學(xué)中的實(shí)際問題，對(duì)特5D打印技術(shù)融入到機(jī)械制圖、模具專業(yè)的教學(xué)中進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐，以期提高學(xué)生的空間想象能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 機(jī)械教學(xué) 模具專業(yè)

3D打印被稱為新一輪工業(yè)革命的代表技術(shù)，得到了各國(guó)政府的重視。2015年，《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》以及《中國(guó)制造2025））相繼出臺(tái)，彰顯了我國(guó)對(duì)于發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的決心。

然而在與3D打印技術(shù)有著密切聯(lián)系的機(jī)械相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，仍有占比相當(dāng)大的授課內(nèi)容采取的是傳統(tǒng)教學(xué)方法。即將整個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課通過教師以理論教學(xué)的方式講述機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程，特別是作為機(jī)械語言的機(jī)械制圖課程的教學(xué)，仍是采用原來的方式教學(xué)。但抽象的三維概念對(duì)學(xué)生的空間想象能力提出了更高的要求。所以，如何利用現(xiàn)代化的手段降低教學(xué)內(nèi)容難度，是擺在我們面前必須著手解決的課。

當(dāng)3D打印技術(shù)引入學(xué)校以后，在設(shè)計(jì)的過程中可以充分地發(fā)揮設(shè)計(jì)者的想象力和空間探索能力，反過來可以通過3D打印技術(shù)，降低初學(xué)者對(duì)于三維空間想象能力的理解，從而可以更快更好地將學(xué)生帶入機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)，大大提高學(xué)習(xí)效率。對(duì)此筆者結(jié)合學(xué)院的實(shí)際情況，進(jìn)行一些有意義的探索。

一、3D打印應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)的可行性

3D打印應(yīng)用服務(wù)于日常教學(xué)，主要的問題是3D打印設(shè)備的成本、打印材料成本以及打印時(shí)間，下面從三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.3D打印設(shè)備成本

目前常用的3D打印機(jī)主要是桌面級(jí)3D打印機(jī)，此類打印機(jī)采用的是FDM熔融沉積技術(shù)，由于目前很多3D打印機(jī)生產(chǎn)廠家“拼價(jià)格”，所以打印機(jī)的價(jià)格并不是很高，畢竟桌面級(jí)打印機(jī)要求精度不高，大多數(shù)廠商都能做到這種精度。桌面級(jí)3D打印為大眾化應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了很多便利，促進(jìn)了3D打印概念的普及。

2.3D打印耗材的成本

3D打印耗材即是3D打印機(jī)所使用的材料，目前常用的材料有尼龍、PLA、光敏樹脂等，由于材料不同，其價(jià)格相差也很大，目前使用較多的是PLA和ABS，價(jià)格在每千克幾十元，完全在學(xué)校日常教學(xué)可接受的范圍。

3.3D打印時(shí)間

目前普遍采用的桌面型3D打印機(jī)的一個(gè)重要的缺點(diǎn)就是打印速度太慢，打印一件作品需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

二、3D打印工作原理

3D打印需要經(jīng)過的四個(gè)過程：建模、切片分層、打印和后處理

1.建模

建立3D打印模型主要有兩種方法：一是采用3D設(shè)計(jì)軟件如UG、CATIA、Solidworks、creo等建立三維數(shù)字化模型；另一種是采用抄數(shù)機(jī)或者掃描儀直接獲取目標(biāo)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理，生成數(shù)字化三維模型。

2.切片分層

3D打印機(jī)不能直接進(jìn)行3D打印，在建立數(shù)字化三維模型之后，要生成3D打印切片軟件識(shí)別的STL文件，經(jīng)過切片軟件切片處理，生成3D打印設(shè)備識(shí)別的Gcode代碼，然后進(jìn)行3D打印。

3.打印

使用3D打印機(jī)，直接連接電腦或者將Gcode代碼導(dǎo)入設(shè)備進(jìn)行打印。

4.后處理

打印完成的模型由于設(shè)備本身的精度問題和在打印過程中耗材的熱膨脹率、產(chǎn)生的支撐等影響，會(huì)在模型表面產(chǎn)生一些毛刺，表面粗糙等問題，這些都是要人工清理的，對(duì)于對(duì)尺寸要求比較高的模型，要進(jìn)行更仔細(xì)的清理打磨工作，有的模型還需要曾加強(qiáng)度處理和上色處理等。

三、3D打印技術(shù)在教學(xué)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前在教育工作者的不懈努力和探索下，有很多將3D打印技術(shù)與教學(xué)相整合的探索，在學(xué)生使用3D打印機(jī)的過程中可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生探索科技的動(dòng)力，感受科技飛速發(fā)展的力量。3D打印技術(shù)可以很輕易地將學(xué)生腦中想象的模型快速轉(zhuǎn)化成實(shí)體，加速從設(shè)計(jì)到制造的轉(zhuǎn)化速度，從而促進(jìn)學(xué)生的想象力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力。學(xué)院目前采用的打印設(shè)備主要是FDM和SLA，通過實(shí)際應(yīng)用，比較適合教學(xué)。

FDM打印機(jī)的特點(diǎn)是設(shè)備便宜，國(guó)產(chǎn)的打印機(jī)的價(jià)格在幾千元不等，進(jìn)口的設(shè)備在萬元以上，另外，此類打印機(jī)還具有操作簡(jiǎn)便，使用方便，對(duì)場(chǎng)地條件要求低，便于維護(hù)，而且打印耗材也相對(duì)便宜，可以使用的材料種類比較多等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是打印精度相對(duì)較低，對(duì)于一些復(fù)雜的模型，由于切片軟件不夠強(qiáng)大，有的難以成型，限制了使用范圍。另外，還有打印速度緩慢，材料存在熱膨脹率，打印精度難以保證，后處理較困難等問題。其主要適用于一些手板的打印和一些對(duì)尺寸要求不高、裝配精度要求不高的零件或模型。

SLA相對(duì)于FDM的優(yōu)勢(shì)在于采用成熟的固化成型技術(shù)，加工速度快，生產(chǎn)周期短。由于此類打印機(jī)配套的軟件處理能力較為強(qiáng)大，所以可以加工一些外形制造復(fù)雜或者使用傳統(tǒng)制造方法難以加工成型的模型。但是此類設(shè)備的造價(jià)高昂，動(dòng)輒幾十萬甚至上百萬，對(duì)使用環(huán)境的要求也較高，其耗材主要是光敏樹脂，成本很高。目前其主要應(yīng)用于對(duì)模型尺寸要求較高或者對(duì)裝配精度要求較高的零件或模型。

四、將3D打印技術(shù)融入機(jī)械教學(xué)的探索

1.3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

在機(jī)械專業(yè)中，機(jī)械制圖是一門重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，被稱為機(jī)械設(shè)計(jì)的語言，但是在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，授課教師總是要圍繞著一個(gè)或者幾個(gè)問題，反復(fù)地向?qū)W生進(jìn)行闡述，隨著多媒體教學(xué)的引入，可以在一定程度上幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，但是仍不能隨心所欲地去探索三維空間。

3D打印技術(shù)的到來，給學(xué)生探索三維空間，打開思維敞開了大門，他們可以將腦中形成的想法，利用3D打印機(jī)快速地實(shí)現(xiàn)。試想一下，對(duì)于一個(gè)初學(xué)機(jī)械制圖課程的學(xué)生，讓他在腦中實(shí)現(xiàn)某一三維模型的主視圖、左視圖、俯視圖等識(shí)圖是有一定困難的，更不要提在腦中將三維模型隨意翻轉(zhuǎn)了。但是，有了3D打印技術(shù)，三維模型完全可以在短短的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)打印出來，這對(duì)于學(xué)生的理解將會(huì)產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。有了實(shí)物模型，反過來繪制二維投影視圖就簡(jiǎn)單了很多，這將大大縮短學(xué)生學(xué)好機(jī)械制圖的時(shí)間。

通過上面的分析我們不難看出，學(xué)好機(jī)械制圖的核心內(nèi)容就是要具備相當(dāng)好的空間想象能力，而這一能力的培養(yǎng)，在過去，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，通過接觸相當(dāng)多的實(shí)物和圖樣才能具備。而現(xiàn)在，3D打印技術(shù)可以幫助學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出較強(qiáng)的空間想象能力。

2.3D打印技術(shù)在機(jī)械模具專業(yè)中的應(yīng)用

在以往的機(jī)械模具專業(yè)的教學(xué)過程中，教師將學(xué)生的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體或者產(chǎn)品，幾乎是不可能的事情。但是現(xiàn)在，由于3D打印技術(shù)的使用，這些已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。將設(shè)計(jì)打印成產(chǎn)品，大大增強(qiáng)了學(xué)生的信心，并且通過對(duì)實(shí)體的使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的有效改進(jìn)。能做到這樣，主要依賴于3D打印相對(duì)于機(jī)械加工模具在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，時(shí)間上也存在相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

3D打印技術(shù)快速地進(jìn)入我們的思想，慢慢地滲入我們生活中的各個(gè)角落，同樣，也在各個(gè)方面服務(wù)于我們的日常教學(xué)，特別是在傳統(tǒng)教學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的地方。我們相信，經(jīng)過機(jī)械專業(yè)教育工作者的不懈努力，3D打印技術(shù)將會(huì)和機(jī)械教學(xué)融合得更好！