彭 翀，徐振澎，姜興剛

3D打印技術(shù)在機(jī)械學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究

彭 翀，徐振澎，姜興剛

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 昌平區(qū) 100191)

在機(jī)械專業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師在給學(xué)生講解難以理解的概念、形狀復(fù)雜的零件和原理復(fù)雜的機(jī)構(gòu)時(shí)，口頭的講授和二維的插圖不能有效地幫助學(xué)生理解。實(shí)體教具雖然形象直觀，但使用不便且價(jià)格昂貴；一些針對(duì)特定問題的教具難以購買，不利于教學(xué)推廣。3D打印技術(shù)不僅可以縮短制作周期而且使用起來方便快捷，使得不具備專業(yè)知識(shí)的老師也能夠根據(jù)自己需要制作出相應(yīng)教具。針對(duì)該問題，研究了將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教具的設(shè)計(jì)制作中，給出了教具制作的基本理論和操作流程的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，3D打印教具的使用大大方便了教師的課堂講解。

教具；模型設(shè)計(jì)；3D打??；機(jī)械教學(xué)

教師在傳統(tǒng)機(jī)械類課程教學(xué)中會(huì)講解到一些復(fù)雜的概念或者某個(gè)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)，這時(shí)教師會(huì)用圖片或者動(dòng)畫幫助教學(xué)。然而這些方式在實(shí)際教學(xué)過程中的效果并不是非常理想，其主要原因有以下3個(gè)方面。

1)這些方式缺乏直觀性，不能有效地幫助學(xué)生理解概念；單靠圖片、仿真動(dòng)畫學(xué)生難以理解一些復(fù)雜的概念，難以想象出復(fù)雜零件的形狀、機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理。

2)這些方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；與課本的文字解釋、插圖示意、仿真動(dòng)畫相比，學(xué)生更傾向于對(duì)實(shí)物模型產(chǎn)生興趣。但是在實(shí)際教學(xué)中，有不少實(shí)物模型過于老舊，或者過于昂貴，學(xué)生只能看不能摸，這在一定程度上打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3)傳統(tǒng)機(jī)械實(shí)物模型成本較高，對(duì)于一些特定概念的講解，教師需要花費(fèi)很多精力制作或購買專用模型，不利于在教學(xué)中推廣。由此可見，現(xiàn)今的機(jī)械專業(yè)教學(xué)迫切需要一種能幫助學(xué)生理解概念與工作原理的新式教具。

3D打印是以三維設(shè)計(jì)模型為本體，用切片軟件將其分解離散成很多層薄薄的切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬或塑料等材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)[1]。近年來，3D打印技術(shù)在出現(xiàn)后得以迅速推廣，該技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)。在3D打印技術(shù)中，桌面級(jí)3D打印機(jī)具有體積小、建模簡單、制造快速、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，這使得3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)用具設(shè)計(jì)制造的想法成為現(xiàn)實(shí)[2]。

本文從3D打印在教具行業(yè)中的應(yīng)用入手，具體設(shè)計(jì)出3D打印教具應(yīng)用于機(jī)械專業(yè)教學(xué)之中，并在實(shí)際教學(xué)過程中取得一定成果。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，使用塑料、粉末狀金屬等粘合材料來逐層構(gòu)造物體。由于3D打印無須機(jī)械加工也無需任何模具就能直接通過計(jì)算機(jī)建模構(gòu)造任意形狀的零件然后快速成形，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期、提高了生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本[3]。

按照通常的標(biāo)準(zhǔn)，可以將3D打印技術(shù)分為以下7種:光固化成型、熔融沉積制造、選擇性激光燒結(jié)、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、片層壓、定向能量沉積。目前已實(shí)現(xiàn)商品化的3D打印機(jī)以前3種方法為主[4]。

從3D打印的出現(xiàn)，到近幾年的快速發(fā)展，我國在該技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步，目前已經(jīng)躋身世界前列，發(fā)展最為突出的是利用激光直接加工金屬，該技術(shù)生產(chǎn)的零件機(jī)械性能良好，滿足特殊要求，將來很有希望能夠用于高端零件的裝備制造。除此之外，我國生物細(xì)胞3D打印技術(shù)也有很大的發(fā)展，目前已經(jīng)可以制造立體模擬生物組織?？傮w來看，我國在3D打印技術(shù)的核心領(lǐng)域已經(jīng)與其他國家的先進(jìn)技術(shù)基本處于同一高度；然而我國欠缺的地方還有很多，新型材料研發(fā)慢，軟件開發(fā)以及裝備不成熟等等。目前國內(nèi)快速成型系統(tǒng)的科研團(tuán)隊(duì)主要包括清華大學(xué)顏永年團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)盧秉恒團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)史玉升研究團(tuán)隊(duì)等。

3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)，這是近幾年剛興起的概念，與它相比，傳統(tǒng)的制造技術(shù)被稱作減材制造技術(shù)，通過車銑刨磨等加工技術(shù)把材料從毛坯上進(jìn)行去除，從而制造出零件[5]。3D打印有著以下3點(diǎn)優(yōu)勢。

1)個(gè)性化制作，通過專業(yè)建模軟件使用者可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)出自己想要的三維造型，快速制造出傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的形狀。

2)縮短產(chǎn)品的研制周期，傳統(tǒng)模型制作設(shè)計(jì)到很多復(fù)雜的步驟，需要耗費(fèi)很大人力物力，制作周期長且繁瑣，3D打印大大簡化了該過程，使得整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)時(shí)間大大縮短。

3)提高原材料的利用率，由于省去了生產(chǎn)線，3D打印技術(shù)的使用降低了成本，減少了材料浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率，可以進(jìn)行原材料的利用[6]。

近幾年來，桌面級(jí)3D打印機(jī)已經(jīng)被廣泛使用，它有著方便、小巧等優(yōu)點(diǎn)，而其低廉的價(jià)格也讓很多發(fā)燒友以及普通的小集體成為受眾面，操作的簡單化甚至讓原本沒有接觸過該領(lǐng)域的普通大眾也能發(fā)揮想象，創(chuàng)作出作品。桌面級(jí)3D打印機(jī)的發(fā)展已趨于成熟，在網(wǎng)絡(luò)上就可以根據(jù)自己需求選擇購買各種型號(hào)，有單噴頭的，有雙噴頭的，打印材料有PLA、ABS，此外用戶還可以選擇材料的顏色。

1.2 3D打印技術(shù)在教具領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中該技術(shù)的應(yīng)用也變得越來越廣泛，目前主要用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、專業(yè)設(shè)計(jì)和醫(yī)療外科等領(lǐng)域。在教具領(lǐng)域3D打印的應(yīng)用也頗為廣泛[7-8]。

在國內(nèi)，2014年6月，新疆首例3D術(shù)前模擬骨折整復(fù)手術(shù)成功，烏市中醫(yī)醫(yī)院骨科、醫(yī)學(xué)影像科利用3D打印技術(shù)，按1∶1的比例對(duì)患者受傷的踝關(guān)節(jié)部位進(jìn)行三維重建，制作出仿真 “骨模”，讓摔碎的踝關(guān)節(jié)可以準(zhǔn)確拼接并用鋼板固定好。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行手術(shù)演練和教學(xué)，不僅可以大大提高手術(shù)的精準(zhǔn)度、縮短手術(shù)時(shí)間，還可以減小手術(shù)創(chuàng)口、減輕患者病痛。除了醫(yī)學(xué)上的運(yùn)用，文獻(xiàn)[9]運(yùn)用3D打印機(jī)制作數(shù)學(xué)教具，將難以理解的空間概念具體化，打印出的圓錐截面模型、角錐體、立體鏤空等比三角形等教具讓學(xué)生對(duì)各種概念一目了然，同時(shí)3D打印材料價(jià)格上的優(yōu)勢省下了一大筆經(jīng)費(fèi)。美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛，飛機(jī)的所有零部件都是通過3D打印制造的。美國國家科學(xué)基金會(huì)的數(shù)字圖書館項(xiàng)目提供了很多3D打印動(dòng)物和器官結(jié)構(gòu)的模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是已滅絕的生物，該項(xiàng)目的參與者還掃描并打印復(fù)制了古人類化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計(jì)算機(jī)為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后運(yùn)用3D打印出復(fù)制品用于科研與教學(xué)。

根據(jù)對(duì)美國TeachThought.com網(wǎng)站、2013年版 《地平線報(bào)告》等文獻(xiàn)和其他一些資料案例的整理和篩選，不同科學(xué)領(lǐng)域使用3D打印輔助教學(xué)的例子如表1所示[10]。

表1 3D打印在各學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用案例

2 桌面級(jí)3D打印機(jī)的裝配和使用

2.1 裝配

本文組裝的3D打印機(jī)型號(hào)是Prusa i3，是開源RepRap 3D打印機(jī)Prusa Mendel的第三代機(jī)型。相對(duì)于Mendel一代和二代的版本，第三代結(jié)構(gòu)簡單，造型更趨向于產(chǎn)品化。主要零件清單如表2所示，組裝步驟如圖1所示。

表2 Prusa i3主要零件清單

圖1 桌面級(jí)3D打印機(jī)組裝步驟

2.2 3D打印過程

提到 “打印”一詞，很多人首先想到的是能夠打印文稿的普通打印機(jī)，而3D打印機(jī)的原理和噴墨打印機(jī)在某些技術(shù)上確實(shí)比較接近。桌面級(jí)3D打印機(jī)通過加熱擠出機(jī)使材料達(dá)到熔點(diǎn)軟化，然后通過送料步進(jìn)電機(jī)將其擠出到熱床上，在步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)給條件下進(jìn)行層疊打印。一般來說用桌面級(jí)3D打印獲得實(shí)體的步驟為 “建?！謱忧衅蛴　?個(gè)階段。

1)三維建模

使用三維建模軟件，對(duì)所需要打印的模型進(jìn)行建模。3D建模有很多種，包括多邊形建模、曲面建模和實(shí)體建模等等。多邊形建模工具代表軟件有Metasequoia、3ds Max、Maya等；曲面建模工具有SolidThinking、Autodesk Alias等；實(shí)體建模工具有SolidWorks、Solid Edge、Proe、UG等。每種建模工具都各有特點(diǎn)，可以根據(jù)產(chǎn)品特性選擇不同的建模工具。以階梯鉆頭的SolidWorks建模為例，建模的基本步驟如圖2所示。

圖2 建?；静襟E

2)實(shí)體模型分層切片

構(gòu)建好實(shí)體模型后，需要對(duì)實(shí)體模型分層切片，分析噴頭行走路徑，生成G代碼。G代碼可以指導(dǎo)熱頭移動(dòng)到既定位置，使得材料堆積成型。在軟件中可以設(shè)置被打印物體的填充密度和填充方式，以及熱噴頭移動(dòng)速度等參數(shù)，以此決定打印的質(zhì)量與效率。以Slic3r軟件為例，切片基本步驟如圖3所示。

圖3 切片基本步驟

3)進(jìn)行打印

一臺(tái)3D打印機(jī)的基本動(dòng)作包括:實(shí)現(xiàn)XYZ軸的軸向運(yùn)動(dòng)，使得熱頭和熱床加熱到既定溫度并保持，控制風(fēng)扇的啟停等。目前應(yīng)用比較廣泛的控制軟件是Pronterface，該軟件可以對(duì)3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。實(shí)際打印時(shí)將G代碼下載到控制軟件，加熱熱噴頭和熱床到指定溫度，打印堆積成型。打印過程如圖4所示。

圖4 打印過程

3 3D打印教具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

如上所述，3D打印憑借其獨(dú)特的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方法可以應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科的教學(xué)中，對(duì)于機(jī)械這門學(xué)科我們更應(yīng)該認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)的實(shí)用性和方便性。作為一種通用技術(shù)，普通的桌面級(jí)3D打印機(jī)的組裝與使用也很容易掌握。尤其是在設(shè)計(jì)領(lǐng)域以及工程相關(guān)的學(xué)科中，3D打印的使用能夠快速地制作出便宜卻高質(zhì)量的模型。本文將介紹在3門機(jī)械專業(yè)相關(guān)課程中用3D打印技術(shù)打印出的教具。

3.1 “互換性與測量技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

在互換性與測量技術(shù)課程的實(shí)際教學(xué)過程中，對(duì)于課程部分概念的講解存在一定的難點(diǎn)，因?yàn)橐恍┒x比較抽象，需要學(xué)生具有充分的空間想象能力和邏輯思維能力才能把概念想明白。在講解時(shí)不僅需要教師保持思路的清晰，還需要學(xué)生專注于思考。為了更好地讓學(xué)生理解該課程中有關(guān)于形位公差的概念，本文設(shè)計(jì)了以下兩類教具。

1)圓柱度

圓柱度定義:公差帶是半徑差值為公差值t的兩同軸圓柱面之間的區(qū)域。標(biāo)注含義:被測圓柱面必須位于半徑差為公差值t(t＝0.1)的兩同軸圓柱面之間。如圖5、圖6所示為圓柱度的三維模型，模型含義代表被測圓柱面必須位于兩同軸圓柱面之間。

圖5 圓柱度定義和標(biāo)注

圖6 圓柱度模型

2)傾斜度

傾斜度定義:公差帶是直徑為公差值t，且與基準(zhǔn)平面成理論正確角度的圓柱面內(nèi)的區(qū)域。標(biāo)注含義:?D孔軸線必須位于直徑公差值0.05 mm，且與A基準(zhǔn)平面成45°，且平行于B基準(zhǔn)平面的圓柱面內(nèi)。如圖7、圖8所示為傾斜度的三維模型，模型含義代表孔軸線必須位于上述圓柱面內(nèi)[11]。

圖7 傾斜度定義和標(biāo)注

圖8 傾斜度模型

3.2 “機(jī)械制造裝備”教學(xué)中的應(yīng)用

在機(jī)械行業(yè)中最常接觸到的就是刀具，那么對(duì)刀具的基本了解與認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要。在課堂教學(xué)中，將實(shí)體刀具帶到課堂上講解，特別是一些偏大的實(shí)體刀具存在一定的不便，一些用途特殊的刀具價(jià)格又偏貴，很難出現(xiàn)在實(shí)際課堂教學(xué)中。而3D打印的刀具模型具有輕便安全，以及價(jià)格便宜的優(yōu)勢，在實(shí)際教學(xué)中很有用處，本文設(shè)計(jì)了如圖9所示幾種刀具。

圖9 刀具模型

3.3 “機(jī)械原理”教學(xué)中的應(yīng)用

在 “機(jī)械原理”課程中，鉸鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)很經(jīng)典。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的含義是其中一個(gè)連架桿整周轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)連架桿擺動(dòng)，同時(shí)連桿做平面運(yùn)動(dòng)；對(duì)于雙曲柄機(jī)構(gòu)，兩個(gè)連架桿做整周轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿做平面運(yùn)動(dòng)；對(duì)于雙搖桿機(jī)構(gòu)，兩個(gè)連架桿都做擺動(dòng)，連桿做平面運(yùn)動(dòng)。改變構(gòu)件的相對(duì)尺寸可以使得機(jī)構(gòu)在各種機(jī)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)常用機(jī)構(gòu)演示教具模型 (如圖10所示)，連桿的尺寸可以根據(jù)需要進(jìn)行制作，打印一個(gè)連桿僅需要2 min，然而其演示效果卻很直觀明了。通過組合，它不僅能夠演示四桿機(jī)構(gòu)，可以通過拼接與拓展演示五桿、六桿等機(jī)構(gòu)，以及對(duì)心、偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等。

圖10 機(jī)構(gòu)演示模型

在 “機(jī)械原理”課程中，輪系的認(rèn)識(shí)與設(shè)計(jì)也很重要。輪系一共有3種類型，包括定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系和混合輪系。輪系中的行星齒輪很特殊，行星齒輪除了能夠繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)外，它自身的轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠隨著行星架繞著其他齒輪的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。前者的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為自轉(zhuǎn)，后者的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為公轉(zhuǎn)。整個(gè)系統(tǒng)就像恒星系里的行星繞著恒星轉(zhuǎn)動(dòng)一樣，因此得名[12]。該種輪系如果只看靜態(tài)圖片，很難理解其轉(zhuǎn)動(dòng)原理，本文設(shè)計(jì)的行星齒輪系模型 (如圖11所示)可以準(zhǔn)確嚙合，展示時(shí)一目了然。

圖11 行星齒輪機(jī)構(gòu)演示模型

4 結(jié)束語

在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中存在著講解困難而實(shí)體教具攜帶不便或昂貴的問題，該問題可以利用3D打印技術(shù)解決。本文首先對(duì)3D打印技術(shù)做了綜述，又對(duì)桌面級(jí)3D打印機(jī)的組裝和其相關(guān)軟件的應(yīng)用做了介紹，創(chuàng)新性地提出了利用3D打印技術(shù)打印機(jī)械專業(yè)教具模型的想法。通過探索與實(shí)踐，成功將該想法應(yīng)用到 “互換性與技術(shù)測量”“機(jī)械制造工程原理”和 “機(jī)械原理”3門課程之中，在實(shí)際教學(xué)過程中取得一定成果。

教師在使用3D打印制作的教具時(shí)，可以將原來抽象的概念具體化，以此幫助學(xué)生理解隱性知識(shí)，還能夠通過實(shí)體模型快速準(zhǔn)確地講解零件結(jié)構(gòu)，以此拓展學(xué)生的感知能力，使得課堂更加生動(dòng)形象。通過這種方式，學(xué)生的思路會(huì)變得更加清晰，學(xué)生的積極性也會(huì)得到提升，課堂的活躍能夠充分改善教師教學(xué)效果，反過來又促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。這種新興教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用還需要我們繼續(xù)探索，新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)等待我們繼續(xù)去挖掘。

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Application of 3D Printing Technology in Mechanical Discipline Teaching

PENG Chong， XU Zhenpeng， JIANG Xinggang
(School of Mechanical Engineering＆ Automation，Beihang University，Changping 100191，China)

In the traditional teaching mode of mechanical engineering，teachers try to explain the difficult concept ofcomplex shape parts and mechanism to students，teaching and two-dimensional illustrations cannot be effectively helped students understand.Although the physical teaching aids are vivid and straightforward，but they are very expensive to buy the specific models for special issues，and they are not convenient to be promoted.3D printing technology can shorten the production cycle and be used easily.Those teachers who do not have the professional knowledge will be met their demands after using the corresponding teaching aids.To address this problem，the study uses 3D printing technology to design and produceteaching aids.The study also gives the basic theory and operation of processes.Practice has shown that the use of 3D printing teaching models greatly facilitate teachers to explain the complex concept.

teaching aids； model design； 3D printing； mechanical teaching

G40-057

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.016

2016-03-07；修改日期:2016-05-18

彭翀(1974-)，男，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事數(shù)控加工與制造服務(wù)方面的研究工作。