謝立娟 韓百?gòu)?qiáng) 梁鵬霄 張棟梁

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

3D打印技術(shù)在大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的應(yīng)用

謝立娟 韓百?gòu)?qiáng) 梁鵬霄 張棟梁

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

與傳統(tǒng)的工業(yè)相比，3D打印技術(shù)具有快速成型、生產(chǎn)率高、成本低的優(yōu)勢(shì)。將3D打印應(yīng)用于全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，不但能提高制作作品的效率，降低機(jī)械工具帶來(lái)的傷害，減少成本，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品變得簡(jiǎn)單化，而且能拓展學(xué)生思維，提升學(xué)生對(duì)制圖軟件的學(xué)習(xí)效果，提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力。基于此，闡述全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與3D打印技術(shù)的概念，探究3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)，分析3D打印技術(shù)給大賽帶來(lái)的挑戰(zhàn)及思考。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽；3D打印技術(shù)；優(yōu)勢(shì)；挑戰(zhàn)

3D打印是近年來(lái)逐漸興起的熱門(mén)領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)外以星火燎原之勢(shì)迅速發(fā)展［1］。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)校將3D打印與課程相結(jié)合，呈現(xiàn)出一種新的教學(xué)方式，推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新。學(xué)校建立3D打印實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供實(shí)踐平臺(tái)。但3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新比賽中應(yīng)用較少。在第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽河北賽區(qū)預(yù)賽中，有部分參賽作品使用了3D打印技術(shù)。這些作品是學(xué)生親自繪圖并打印出來(lái)的，作品得到了評(píng)委老師的表?yè)P(yáng)。3D打印技術(shù)，也被稱(chēng)為“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)［2］。3D打印技術(shù)無(wú)需任何機(jī)械加工，也不需要使用任何模具，就能直接把學(xué)生繪制的零件圖或裝配圖打印成三維立體模型，能夠保證作品的精度和光滑度，而且周期短。全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽在下來(lái)通知到預(yù)賽，僅僅幾個(gè)月時(shí)間，學(xué)生除了學(xué)習(xí)，要利用業(yè)余時(shí)間發(fā)散思維想創(chuàng)意，還要制作模型、PPT、說(shuō)明書(shū)、視頻等，時(shí)間緊，任務(wù)重。而使用3D打印大大縮短了學(xué)生制作模型的時(shí)間，不用去工廠加工，降低了傷害。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中具有重要意義。

1 全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與3D打印技術(shù)概述

1.1 全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽

全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽是經(jīng)教育部高等教育司批準(zhǔn)，面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)。正如教育部周濟(jì)部長(zhǎng)所指出的，機(jī)械很重要，沒(méi)有機(jī)械就無(wú)所謂工業(yè)；創(chuàng)新很重要，沒(méi)有創(chuàng)新就沒(méi)有發(fā)展；設(shè)計(jì)很重要，設(shè)計(jì)決定著產(chǎn)品的成本、功能和使用壽命［3］。大賽兩年一屆，每屆都有獨(dú)特的主題。其目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)能力與協(xié)作精神；加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新、設(shè)計(jì)、制作的實(shí)踐工作能力，吸引、鼓勵(lì)學(xué)生踴躍參加課外科技活動(dòng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。

1.2 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法

3D打印技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)材料加工，在三維CAD模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)添加材料進(jìn)行制造的技術(shù)方式。3D打印技術(shù)主要采取的制造方法有直接制造和三維物理實(shí)體模型制造。事實(shí)上，3D打印技術(shù)集成了各種不同的技術(shù)，基于多個(gè)不同的物理機(jī)制，將共同的特征通過(guò)一個(gè)數(shù)字模型來(lái)構(gòu)建三維物理實(shí)體，這個(gè)成型實(shí)際是一個(gè)層疊堆積的過(guò)程。然而，傳統(tǒng)加工方法通常采用切削加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，切削加工方法是一種減材工藝方法。

1.3 3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，3D打印技術(shù)出現(xiàn)在高校、高中甚至小學(xué)等教學(xué)中。學(xué)校設(shè)立創(chuàng)客空間等類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)學(xué)生開(kāi)放，讓學(xué)生自由發(fā)揮創(chuàng)造作品，以此來(lái)提高創(chuàng)新思維。但大部分僅僅限于實(shí)驗(yàn)作品制作，在大學(xué)生創(chuàng)新比賽中應(yīng)用甚少。在第七屆全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中出現(xiàn)了3D打印的作品，作品獲得了評(píng)委老師的好評(píng)。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的優(yōu)勢(shì)

2.1 高制作效率，成本低

制作同一作品，使用傳統(tǒng)的加工方法從作品設(shè)計(jì)到加工制作需要較長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于學(xué)生參加比賽來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)備時(shí)間比較緊張。然而，3D打印技術(shù)集設(shè)計(jì)、打印于一體，只要設(shè)計(jì)好圖紙，其他的事情就完全可以交給3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化。同時(shí)，只需要原材料即可，費(fèi)用低。

2.2 降低傷害

切削加工會(huì)產(chǎn)生許多危害。如設(shè)備工作時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的部件、飛出的切屑、設(shè)備因高速轉(zhuǎn)動(dòng)或摩擦產(chǎn)生的高溫、工作時(shí)的噪聲等，這些對(duì)人類(lèi)具有潛在的危險(xiǎn)。學(xué)生自己操作不熟練，更是加大了受傷危險(xiǎn)。3D打印技術(shù)則截然不同，學(xué)生只需要1臺(tái)電腦和3D打印機(jī)，動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)，按按按鈕就可以完成加工。

2.3 使制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品簡(jiǎn)單化

傳統(tǒng)加工方法能夠加工出簡(jiǎn)單的平面、直線、圓周等，對(duì)于加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)直是異想天開(kāi)。但對(duì)于3D打印技術(shù)而言，打印結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的作品，僅僅依靠的是幾何數(shù)據(jù)的輸入。在比賽時(shí)，學(xué)生不再只是使用傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)零件簡(jiǎn)單組裝，而是學(xué)生自己創(chuàng)造的，有著特定的幾何關(guān)系，這些是傳統(tǒng)加工方法不能達(dá)到的，而3D打印技術(shù)就可以將其變成現(xiàn)實(shí)。

2.4 使學(xué)生學(xué)習(xí)制圖軟件并提高創(chuàng)新能力

學(xué)生使用制圖軟件，不僅可以學(xué)習(xí)二維、三維等繪圖功能，還可以學(xué)習(xí)裝配、仿真等功能。學(xué)以致用，將技能應(yīng)用到實(shí)踐中。學(xué)生在繪制的過(guò)程中，可以發(fā)散思維，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，不在局限于現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)零件，可按自己的想法設(shè)計(jì)創(chuàng)造出新的實(shí)用的機(jī)構(gòu)零件。

3 3D打印技術(shù)在大賽中的應(yīng)用思考

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，預(yù)言將引起全球第三次工業(yè)革命，將其應(yīng)用到教育領(lǐng)域是一次重大改革。對(duì)于教學(xué)、實(shí)踐活動(dòng)、比賽，既是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)帶來(lái)了以下挑戰(zhàn)：①人們使用“耗材”就可以設(shè)計(jì)加工作品，可能會(huì)忽略傳統(tǒng)加工方法，失去動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，這就失去了大賽加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)和工程實(shí)踐訓(xùn)練的目的；②3D打印技術(shù)目前使用的“耗材”種類(lèi)有限，學(xué)生有新想法卻難以實(shí)現(xiàn)；③3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，宣傳力度不夠，不夠普及；④3D打印機(jī)價(jià)格昂貴。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，作為學(xué)生和學(xué)校應(yīng)該充分做好準(zhǔn)備：①思想方面，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，學(xué)校專(zhuān)業(yè)老師較少，這就需要調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從思想上剔除依賴(lài)心理；②知識(shí)方面，學(xué)習(xí)繪圖軟件，學(xué)習(xí)三維建模、裝配、仿真等功能，讓自己在學(xué)生階段真正掌握一門(mén)技術(shù)，為以后工作做準(zhǔn)備；③行動(dòng)方面，學(xué)校應(yīng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)給予大力支持和鼓勵(lì)，在基礎(chǔ)設(shè)備和資金方面等給予支持，積極引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新比賽，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

［1］周濟(jì).中國(guó)機(jī)械工程教育現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方略［J］.高等工程教育研究，2006（3）：47-52.

［2］童宇陽(yáng).3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（12）：16-19.

［3］尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)輕工教育，2016（3）：73-76.

Application of 3D Printing Technology in the Mechanical Innovation Competition of University Students

Xie Lijuan Han Baiqiang Liang Pengxiao Zhang Dongliang
（Agricultural University of Hebei Province，Baoding Hebei 071001）

Compared with the traditional industry,3D printing technology has the advantages of rapid prototyping, high productivity and low costs.The application of 3D printing in the national college student mechanical innovation design competition,can not only improve the efficiency of works,reduce the harm caused by mechanical tools,cut costs,make the structure of complex products more simple,but also can develop the students'thinking,enhance the level of students'learning of graphics software,improve the students'ability of technical innovation.Based on this, the concept of national undergraduates mechanical innovation design competition and 3D printing technology were described,the application status and advantages of 3D printing technology in competition were explored,the challeng?es and thinking of 3D printing technology to the competition were analyzed.

mechanical innovation design competition；3D printing technology；advantages；challenge

TP399；TH122

A

1003-5168(2016)09-0038-02

2016-08-22

謝立娟（1993-），女，本科，研究方向：3D打印技術(shù)。