馮銳

摘要： 3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的別稱，廣泛應(yīng)用航空航天、汽車、機(jī)電、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。計(jì)算機(jī)輔助制造課程教學(xué)中引入3D打印技術(shù)，設(shè)置增材制造教學(xué)內(nèi)容，采用靈活教學(xué)方法，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力。

Abstract： 3D printing technology is another name for the additional material manufacturing technology， and is widely used in aerospace， automotive， electrical， medical， cultural creativity industries. In the course of computer-aided manufacturing， 3D printing technology is introduced， the content of additional material manufacturing is arranged， and flexible teaching method is used， which is helpful to improve students' learning initiative and enthusiasm， and to improve students' innovative design and practical ability.

關(guān)鍵詞： 3D打印技術(shù)；計(jì)算機(jī)輔助制造；教學(xué)改革

Key words： 3D printing technology；computer-aided manufacturing；teaching reform

中圖分類號(hào)：G434；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）10-0167-02

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助制造課程是機(jī)電一體化技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控技術(shù)等機(jī)械制造類專業(yè)的主干課程之一，課程主要學(xué)習(xí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制造軟件（Master CAM、CAXA、Pro/E、Solid Works、CATIA、UG）對(duì)復(fù)雜零件的先進(jìn)制造進(jìn)行工藝規(guī)劃、刀具路徑計(jì)算、加工仿真、程序輸出、后置處理等，是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的的課程，內(nèi)容抽象難懂，需要學(xué)生具備良好的空間想象能力和形象思維能力。然而教學(xué)現(xiàn)狀是學(xué)生對(duì)于零件的認(rèn)識(shí)處于識(shí)別圖紙、建立三維模型階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，成就感不足，把課程當(dāng)成一種負(fù)擔(dān)。因此不能滿足學(xué)習(xí)、教學(xué)、生產(chǎn)的需求。

如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性、主動(dòng)性、積極性，學(xué)生能夠具備計(jì)算機(jī)輔助制造基本知識(shí)、基本技能、掌握新的專業(yè)知識(shí)，是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。為此將3D打印技術(shù)引入計(jì)算機(jī)輔助制造課程教學(xué)活動(dòng)中，設(shè)置增材制造教學(xué)內(nèi)容，采用靈活教學(xué)方法，促使學(xué)生參與全過(guò)程，學(xué)生能夠使用3D打印機(jī)制造出自己設(shè)計(jì)的三維模型，對(duì)難懂的知識(shí)有更加直觀的了解，也拓展了專業(yè)視野，從而增強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助制造原理、制造工藝、制造過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1 計(jì)算機(jī)輔助制造課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前的教學(xué)是以工作過(guò)程知識(shí)為系統(tǒng)的課程內(nèi)容，將機(jī)械制圖、機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、零件數(shù)控加工工藝、UG NX8.0軟件的使用、設(shè)備通信操作等知識(shí)在計(jì)算機(jī)輔助制造的工作過(guò)程中重構(gòu)，通過(guò)課程學(xué)習(xí)使學(xué)生了解只有具備這樣的知識(shí)才能完成工作任務(wù)。具體教學(xué)過(guò)程如圖1所示。

教學(xué)中呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：①知識(shí)體系內(nèi)在聯(lián)系較為松散、邏輯性不強(qiáng)，涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)內(nèi)容繁多、深度不夠；②學(xué)習(xí)能力較差、數(shù)控加工工藝的缺乏，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度停滯在三維建模階段，未完成教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果較差；③由于教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的單一，數(shù)控機(jī)床不足以滿足每位學(xué)生的數(shù)控加工需求，不能制造學(xué)生自行設(shè)計(jì)三維模型的實(shí)物，致使學(xué)習(xí)積極性不高、成就感不足；④教學(xué)手段和形式較為單一，未能充分利用UG CAM功能，刀具軌跡的規(guī)劃能力不足，不能很好地進(jìn)行數(shù)控程序的后期處理，不會(huì)數(shù)控機(jī)床的基本操作，涉及具體操作過(guò)程僅靠老師侃侃而談，學(xué)生難于理解教學(xué)內(nèi)容，致使學(xué)生上課興趣不高。

如何在教學(xué)過(guò)程中，將理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，加強(qiáng)師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，學(xué)生將自行設(shè)計(jì)的模型實(shí)物化，為計(jì)算機(jī)輔助制造課程尋求新的創(chuàng)新教學(xué)培養(yǎng)模式，使學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識(shí)，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高綜合素質(zhì)。3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，為計(jì)算機(jī)輔助制造課程的教學(xué)活動(dòng)提供了新的思路、新的方案、新的方法。

2 3D打印技術(shù)概況

3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的別稱，它以正向建?；蚰嫦驋呙璧确绞浇⒌?D模型文件為基礎(chǔ)，按照某一坐標(biāo)軸切成有限多個(gè)剖面，然后逐層通過(guò)數(shù)字化疊加材料而形成三維實(shí)體的技術(shù)。根據(jù)3D打印機(jī)使用的材質(zhì)，可以將3D打印技術(shù)劃分為箔材粘接技術(shù)、光固化成型技術(shù)、粉末激光燒結(jié)技術(shù)、噴射成型技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)、氣溶膠打印技術(shù)、生物繪圖技術(shù)等。它直接由三維建模軟件生成任意形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

隨著工業(yè)級(jí)、桌面級(jí)打印機(jī)的快速發(fā)展和3D打印技術(shù)的日趨成熟，3D打印技術(shù)在大學(xué)課堂中充分發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)。3D打印進(jìn)入課堂成為現(xiàn)代高職教育教學(xué)改革的一個(gè)新舉措。目前，我國(guó)許多高校已采用3D打印技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。利用3D打印機(jī)，可以將微觀的零件放大并呈現(xiàn)出來(lái)，可以將復(fù)雜的零件快速制作出來(lái)，可以將學(xué)生自行設(shè)計(jì)的個(gè)性化模型打印出來(lái)。一方面可以使教學(xué)更加可視化，更加具有可操作性，更加具有吸引力；另一方面為學(xué)生提供更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)。

3 基于3D打印技術(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)目標(biāo)

融入3D打印技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助制造教學(xué)主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握CAD/CAM最新應(yīng)用技術(shù)，具有較強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與3D打印設(shè)備操作技能，成為從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造和生產(chǎn)管理的技術(shù)技能型人才。具體教學(xué)要求如下。

①了解3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、發(fā)展方向的基本知識(shí)。

②掌握當(dāng)前主流3D打印方式：FDM、SLA、SLS、3DP 、LOM、EBM、DLP等的成型方法、工藝過(guò)程、工藝特點(diǎn)。

③重點(diǎn)掌握FDM（熔融沉積成型）的相關(guān)知識(shí)，主要包括能夠熟練使用3D打印設(shè)計(jì)軟件（UP！、MakerWare）、會(huì)3D打印機(jī)（UP mini、UP PLUS2）的基本操作、能使用三維掃描儀、合理選擇3D打印工藝參數(shù)、后期處理等內(nèi)容。

④熟練掌握逆向工程軟件Geomagic Studio 、正向建模軟件UG NX8.0 、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件Image To STL Converter-master及其他設(shè)計(jì)軟件。

3.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)在教學(xué)內(nèi)容上主要分為三部分：一是建模軟件Geomagic Studio 和UG NX8.0的應(yīng)用。二是3D打印技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。三是基于FDM原理的設(shè)計(jì)軟件的使用，桌面級(jí)3D打印機(jī)的操作、維護(hù)、保養(yǎng)。教學(xué)內(nèi)容的安排上按照練、學(xué)、思、拓的能力訓(xùn)練模式展開(kāi)：第一階段，以照片、視頻和實(shí)物的形式，讓學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)有一個(gè)基本的認(rèn)知，用直觀形象的表達(dá)方法極大地激發(fā)學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的興趣和學(xué)習(xí)熱情；第二階段，通過(guò)任課教師對(duì)具體技術(shù)、原理、思路和方法的講授使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)涉及到的技術(shù)環(huán)節(jié)，熟悉整個(gè)設(shè)計(jì)流程；第三階段，以常見(jiàn)機(jī)械零件為例熟練使用Geomagic Studio 和UG NX8.0的逆向工程功能、正向建模功能、裝配功能、仿真加工功能，具備相關(guān)知識(shí)后，學(xué)生能夠自行設(shè)計(jì)個(gè)性化的創(chuàng)意工藝品、通用零部件、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件；第四個(gè)階段，學(xué)生們進(jìn)入實(shí)質(zhì)的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)分配給自己的設(shè)計(jì)題目，各自搜集整理相關(guān)資料，理出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行具體設(shè)計(jì)并進(jìn)行加工裝配；第五階段，學(xué)生用UP！軟件進(jìn)行STL文件校核與修復(fù)，確定模型擺放方位，選擇切片參數(shù)與打印工藝參數(shù)，存儲(chǔ)分層文件進(jìn)行模擬加工，根據(jù)預(yù)打印效果修正參數(shù)，將整理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C(jī)UP mini打印所設(shè)計(jì)的作品，再進(jìn)行表面處理去除支撐和打磨，如圖2所示。

3.3 教學(xué)能力訓(xùn)練

3D打印技術(shù)涉及多門交叉型學(xué)科，包括材料學(xué)科（金屬、非金屬、尼龍、石膏、高分子、陶瓷），金屬加工工藝學(xué)科（等材制造、減材制造、增材制造），自動(dòng)化控制學(xué)科，正向建模與逆向掃描工程軟件學(xué)科，機(jī)電設(shè)備拆裝調(diào)試學(xué)科，三維實(shí)體的測(cè)量學(xué)科。采用團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)機(jī)制可以降低學(xué)員的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)員間的團(tuán)隊(duì)合作能力。團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)機(jī)制是指一個(gè)指定的設(shè)計(jì)項(xiàng)目或研究方向，由3～4人構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)來(lái)完成，1人為領(lǐng)隊(duì)，其他為隊(duì)員。上課時(shí)每個(gè)團(tuán)隊(duì)安排在同一個(gè)區(qū)域，以方便交流、討論。領(lǐng)隊(duì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)工作，隊(duì)員間分工明確，任務(wù)到人，主要內(nèi)容分為：設(shè)計(jì)和加工，即一人負(fù)責(zé)整體設(shè)計(jì)，一人負(fù)責(zé)參數(shù)確定與加工，一人負(fù)責(zé)打印機(jī)調(diào)試和應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)機(jī)制使學(xué)習(xí)過(guò)程更接近企業(yè)的實(shí)際情況，人與人之間的工作既相互區(qū)別又相互聯(lián)系，這就使學(xué)員的學(xué)習(xí)更加深入，學(xué)員間合作更加緊密，小組最終的作品也更加豐富和多元化，如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)融入3D打印技術(shù)，極大豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性、主動(dòng)性、動(dòng)手能力，開(kāi)闊了學(xué)生的專業(yè)視野，對(duì)進(jìn)一步完善計(jì)算機(jī)輔助制造課程教學(xué)有一定推動(dòng)作用。

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