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)合機械專業(yè)日常教學(xué)中的實際問題，對特5D打印技術(shù)融入到機械制圖、模具專業(yè)的教學(xué)中進行了有益的探索和實踐，以期提高學(xué)生的空間想象能力，促進學(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)，得到了各國政府的重視。2015年，《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》以及《中國制造2025））相繼出臺，彰顯了我國對于發(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)的方式講述機械基礎(chǔ)、機械設(shè)計等課程，特別是作為機械語言的機械制圖課程的教學(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)計的過程中可以充分地發(fā)揮設(shè)計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)生帶入機械制圖的學(xué)習(xí)，大大提高學(xué)習(xí)效率。對此筆者結(jié)合學(xué)院的實際情況，進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間，下面從三個方面進行分析。

1.3D打印設(shè)備成本

目前常用的3D打印機主要是桌面級3D打印機，此類打印機采用的是FDM熔融沉積技術(shù)，由于目前很多3D打印機生產(chǎn)廠家“拼價格”，所以打印機的價格并不是很高，畢竟桌面級打印機要求精度不高，大多數(shù)廠商都能做到這種精度。桌面級3D打印為大眾化應(yīng)用設(shè)計提供了很多便利，促進了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，其價格相差也很大，目前使用較多的是PLA和ABS，價格在每千克幾十元，完全在學(xué)校日常教學(xué)可接受的范圍。

3.3D打印時間

目前普遍采用的桌面型3D打印機的一個重要的缺點就是打印速度太慢，打印一件作品需要很長的時間。

二、3D打印工作原理

3D打印需要經(jīng)過的四個過程：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)機或者掃描儀直接獲取目標(biāo)對象的三維數(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打印機不能直接進行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)備識別的Gcode代碼，然后進行3D打印。

3.打印

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

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，對于對尺寸要求比較高的模型，要進行更仔細的清理打磨工作，有的模型還需要曾加強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打印機的過程中可以提高學(xué)生的動手能力，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)化成實體，加速從設(shè)計到制造的轉(zhuǎn)化速度，從而促進學(xué)生的想象力和設(shè)計創(chuàng)新的能力。學(xué)院目前采用的打印設(shè)備主要是FDM和SLA，通過實際應(yīng)用，比較適合教學(xué)。

FDM打印機的特點是設(shè)備便宜，國產(chǎn)的打印機的價格在幾千元不等，進口的設(shè)備在萬元以上，另外，此類打印機還具有操作簡便，使用方便，對場地條件要求低，便于維護，而且打印耗材也相對便宜，可以使用的材料種類比較多等優(yōu)點，缺點是打印精度相對較低，對于一些復(fù)雜的模型，由于切片軟件不夠強大，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尺寸要求不高、裝配精度要求不高的零件或模型。

SLA相對于FDM的優(yōu)勢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。由于此類打印機配套的軟件處理能力較為強大，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)備的造價高昂，動輒幾十萬甚至上百萬，對使用環(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)用于對模型尺寸要求較高或者對裝配精度要求較高的零件或模型。

四、將3D打印技術(shù)融入機械教學(xué)的探索

1.3D打印技術(shù)在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

在機械專業(yè)中，機械制圖是一門重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，被稱為機械設(shè)計的語言，但是在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，授課教師總是要圍繞著一個或者幾個問題，反復(fù)地向?qū)W生進行闡述，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打印機快速地實現(xiàn)。試想一下，對于一個初學(xué)機械制圖課程的學(xué)生，讓他在腦中實現(xiàn)某一三維模型的主視圖、左視圖、俯視圖等識圖是有一定困難的，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小時內(nèi)打印出來，這對于學(xué)生的理解將會產(chǎn)生巨大的促進作用。有了實物模型，反過來繪制二維投影視圖就簡單了很多，這將大大縮短學(xué)生學(xué)好機械制圖的時間。

通過上面的分析我們不難看出，學(xué)好機械制圖的核心內(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)長的時間，通過接觸相當(dāng)多的實物和圖樣才能具備。而現(xiàn)在，3D打印技術(shù)可以幫助學(xué)生在較短的時間內(nèi)培養(yǎng)出較強的空間想象能力。

2.3D打印技術(shù)在機械模具專業(yè)中的應(yīng)用

在以往的機械模具專業(yè)的教學(xué)過程中，教師將學(xué)生的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w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。將設(shè)計打印成產(chǎn)品，大大增強了學(xué)生的信心，并且通過對實體的使用，可以實現(xiàn)對設(shè)計的有效改進。能做到這樣，主要依賴于3D打印相對于機械加工模具在價格上的優(yōu)勢，時間上也存在相當(dāng)大的優(yōu)勢。

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