安芬菊，李德榮，俞國燕，陳伯豪，陳典龍

(廣東海洋大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

3D打印正在重塑全球制造業(yè)的競爭格局，被NSF認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的制造技術(shù)革命。2012年，美國啟動首個制造業(yè)創(chuàng)新計劃——增材制造 (3D打印)；2013年，我國將3D打印技術(shù)上升到國家戰(zhàn)略需求的地位[1]，并將該項技術(shù)的研發(fā)入選國家863計劃，這為3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展奠定了里程碑。

3D打印，實質(zhì)是一種增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)[2]。主要有熔融沉積成形(FDM)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、立體光固化成形(SLA)、疊層實體制造(LOM)、三維打印(3DP)、激光近凈成形制造(LENS)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)等多種工藝方式。3D打印在模具制造、工業(yè)設(shè)計、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用的比較多，現(xiàn)在發(fā)展到采用這種技術(shù)直接打印某些零部件。另外，該技術(shù)在工程、珠寶、鞋類、教育等領(lǐng)域亦有應(yīng)用。在2015年期間，美標(biāo)公司 (American Standard)推出 “DXV”3D打印金屬水龍頭系列，如圖1所示。荷蘭阿姆斯特丹古老運河上將凌空飛跨一座由 “MX3D研究和發(fā)展”公司通過3D打印技術(shù)完成的新型鋼鐵大橋，如圖2所示?？梢?D打印技術(shù)作為一項先進制造技術(shù)，正在迅速地崛起。將這項技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)，尤其是引入工程訓(xùn)練，可以盡早將先進的技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力，了解掌握前沿科技，具有重要的引領(lǐng)作用[3－5]。

圖1 水龍頭

圖2 新型鋼鐵大橋

1 3D打印實訓(xùn)室的硬件建設(shè)

目前，3D打印的種類很多。在不同工藝的3D打印設(shè)備中，生產(chǎn)批量較大的主要有熔融沉積快速成形設(shè)備(桌面型和工業(yè)級)、激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備(包括成型非金屬材料和成型金屬材料的設(shè)備)、立體光固化成形設(shè)備等。本文通過市場調(diào)研，比較設(shè)備的價格、設(shè)備所用耗材的用量與價格、設(shè)備的使用率等因素，結(jié)合各方面的因素，包括學(xué)生人數(shù)、專業(yè)特點等方面，綜合考慮，進行實驗室的建設(shè)。

3D打印實驗室建筑面積約400 m2，由3間實訓(xùn)室組成，具體為3D打印操作室2間，配備了6臺FDM桌面3D打印機、3臺工業(yè)級熔融沉積成形設(shè)備、1臺非金屬材料激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備；多媒體機房實訓(xùn)室1間，配置了45臺計算機，用于模型的三維設(shè)計。為了保證授課的效果，在3D打印實驗室還配置了智能電視1臺、多媒體投影設(shè)備1套。

2 教學(xué)案例

本次教學(xué)實例采用的設(shè)備是北京太爾時代科技有限公司生產(chǎn)的UP Plus 2型FDM桌面3D打印機，它集機械設(shè)計技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳動技術(shù)為一體，其工作原理如圖3所示。數(shù)據(jù)分析與控制軟件為UP設(shè)備自帶軟件，三維CAD模型設(shè)計軟件選用Solidworks軟件，模型材料使用工程塑料ABS或聚乳酸PLA。

圖3 FDM桌面3D打印工作原理圖

2.1 3D打印實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容由6部分組成，即安全教育(10 min)、3D打印的概述(30 min)、示范講解3D打印的工藝過程(20 min)、三維設(shè)計軟件的使用(120 min)、創(chuàng)意作品設(shè)計(120 min)、分組打印作品(180 min)。

1)安全教育和視頻觀看。首先進行安全教育，學(xué)習(xí)各種設(shè)備安全操作規(guī)程及其他安全注意事項，將安全教育放在第一位。

2)組織學(xué)生在電視上觀看自制的3D打印教學(xué)視頻，內(nèi)容包括3D打印的成型原理、3D打印的常見工藝方法、3D打印在衣、食、住、行、工業(yè)、航空等方面的應(yīng)用情況等。看視頻之前給學(xué)生強調(diào)說明視頻中已經(jīng)講解的內(nèi)容，老師不再重復(fù)講解示范，提醒學(xué)生認(rèn)真觀看，同時告知學(xué)生、看完視頻實習(xí)指導(dǎo)老師進行隨機提問抽查，檢驗觀看的效果。這種方法有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，保證視頻觀看的效果。

3)示范講解部分以某一簡單模型的設(shè)計與制作為例，如圖4所示，說明3D打印從設(shè)計到制造的整個工藝過程，具體講解內(nèi)容包括:Solidworks軟件繪制零件圖——UP Plus 2型FDM桌面3D打印機UP分析控制軟件的使用說明——桌面Plus－UP的操作要領(lǐng)——常見問題及處理方法。

圖4 魚骨圖

通過觀看教學(xué)視頻和示范講解，學(xué)生對3D打印的實習(xí)內(nèi)容有了一個較全面的整體的了解。

4)三維設(shè)計軟件的使用考慮到工程訓(xùn)練進行實習(xí)的學(xué)生多為大一、大二的學(xué)生，一般都只是接觸到二維的CAD機械制圖，或者是根本就沒有接觸過機械制圖，他們對三維機械圖的設(shè)計還沒有概念，針對這種情況，選取底座作為示例進行三維設(shè)計軟件的操作講解，如圖5所示。通過示例講解使同學(xué)們掌握三維繪圖軟件的基本操作方法。另外，錄制了一些視頻教材，比如草圖的繪制，拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、包覆等20多個命令的操作視頻，安裝在多媒體實訓(xùn)室的每一臺電腦上，便于同學(xué)們在繪圖過程中隨時查閱與學(xué)習(xí)。實習(xí)指導(dǎo)老師隨堂指導(dǎo)，及時解答學(xué)生在圖形設(shè)計過程中遇到的各種問題。

圖5 Solidworks設(shè)計實例——底座

5)創(chuàng)意零件的設(shè)計。學(xué)生在基本掌握了Solidworks軟件后，進入創(chuàng)意設(shè)計階段，這個階段只對學(xué)生提出設(shè)計尺寸的要求，一般整體尺寸x/y/z三個方向的尺寸要求在20～30 mm之內(nèi)，零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不做限制。讓學(xué)生自行設(shè)計各種小零件、小飾品等，這種以任務(wù)為驅(qū)動，學(xué)生為主體、實習(xí)指導(dǎo)老師為輔助的教學(xué)方法能夠使學(xué)生快速地掌握三維設(shè)計軟件的基本操作，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維的能力。

從實習(xí)教學(xué)反饋的信息來看，這種基于任務(wù)的3D打印實習(xí)已收到較好的教學(xué)效果，深受學(xué)生的歡迎。

6)分組打印作品及作品展示。一般實訓(xùn)以一個自然班為單位進行，在打印階段每個班平均分為6個小組，每個小組5～6個人，每個作品的打印時間控制在15 min左右，按一定的順序進行3D打印。打印完成的同學(xué)對打印出的作品進行缺陷分析，及時發(fā)現(xiàn)不足之處，對需要修改或改進的地方繼續(xù)回到多媒體實訓(xùn)室進行二次完善。

作品展示和討論環(huán)節(jié)，在給學(xué)生的實習(xí)小作品評定成績的過程中發(fā)現(xiàn)，每個小組的學(xué)生對自己作品的缺陷的認(rèn)識總是不足，認(rèn)為自己做的已經(jīng)很好了，希望得到高分的成績，往往忽視作品打印失敗或出現(xiàn)缺陷的原因分析。因此，統(tǒng)一將學(xué)生的作品按工號順序擺放在工作臺面上，對每一件作品進行逐一討論與點評，說出每一個作品的優(yōu)點、缺點及其產(chǎn)生的原因，進行集體討論。通過討論，學(xué)生進一步掌握3D打印的設(shè)計與制造[6－10]。

2.2 教學(xué)效果

實訓(xùn)過程中，每位學(xué)生都必須完成從最初產(chǎn)品的設(shè)計，到打印制造出一件成品的全過程，并且，作品還可自行留作紀(jì)念。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性非常高。同學(xué)們對打印出來的作品進行對比、討論，查找不足，提出改進意見，對好的作品相互學(xué)習(xí)。這一過程中，學(xué)生充分發(fā)揮了創(chuàng)造力。精心地設(shè)計自己的作品，通過3D打印訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，增強了學(xué)生的團隊精神和協(xié)作能力，教學(xué)效果非常好。學(xué)生的部分作品如圖6所示。

圖6 學(xué)生實習(xí)的部分作品

3 結(jié)束語

3D打印實訓(xùn)與產(chǎn)品設(shè)計、大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目、學(xué)科競賽項目相結(jié)合，進一步拓展了教學(xué)內(nèi)容。3D打印與校企聯(lián)合開展的小家電研發(fā)平臺相結(jié)合，服務(wù)社會。應(yīng)建立學(xué)習(xí)型師資隊伍、采用多樣化的教學(xué)手段。

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