孫文柱 曲建嶺 高峰 袁濤 郭超然

摘要：針對(duì)《航空儀表設(shè)備》課程中裝備體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)精密，不利于課堂講解示范的問(wèn)題，提出了將3D打印教具應(yīng)用于《航空儀表設(shè)備》課程教學(xué)。首先分析了3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和原理，然后介紹了3D打印的過(guò)程，最后將3D打印教具應(yīng)用于《航空儀表設(shè)備》課堂教學(xué)。實(shí)踐表明：3D打印教具的參與可以強(qiáng)化課堂互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生空間想象能力，拓寬學(xué)生思維空間，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：3D打??；教具；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）39-0092-03

一、引言

《航空儀表設(shè)備》是一門(mén)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，其特點(diǎn)是突出設(shè)備構(gòu)造與原理的理解和掌握，而課程中所涉及的儀表及其零部件大多具有體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)精密等特點(diǎn)，課堂教學(xué)普遍存在著無(wú)實(shí)裝實(shí)物、零部件難以拆卸安裝、零部件體積小不利于觀察等困難。目前教員授課主要采用幻燈片展示圖片和動(dòng)畫(huà)等手段，缺乏實(shí)物感，從而影響教學(xué)效果。另一方面，目前普遍缺乏新裝設(shè)備，課堂上急需相應(yīng)的替代品。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和打印成本的降低，將3D打印的模型應(yīng)用于課堂教學(xué)成為可能。使用3D打印技術(shù)可以打印出大小合適、重量輕便的教具，此類教具具有不受地點(diǎn)限制、便于演示、可拆裝的特點(diǎn)，在課堂上使用這樣的教具可以使學(xué)員更容易理解設(shè)備的原理和構(gòu)造，加深學(xué)員印象，進(jìn)而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。另外，3D打印技術(shù)可以打印出新式裝備結(jié)構(gòu)，從而彌補(bǔ)新裝設(shè)備不足帶來(lái)的制約。本文通過(guò)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于《航空儀表設(shè)備》課程教學(xué)，改善了教學(xué)方式方法，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

二、3D打印技術(shù)介紹

3D打印又名增材制造（additive manufacturing，AM），是近年來(lái)興起的一種快速成型技術(shù)，具有周期短、成本低、加工靈活等特點(diǎn)。3D打印具有廣闊的應(yīng)用前景，在課堂教學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造、材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、建筑工程等方面都有廣泛的應(yīng)用。3D打印過(guò)程是在計(jì)算機(jī)的控制下，逐層堆積或固化材料，最終制造出立體工件。3D打印出的工件形狀非常靈活，幾乎可以是任意形狀，許多傳統(tǒng)加工方法不能加工或難于加工的形狀都可以由3D打印機(jī)輕松打印出來(lái)。目前3D打印技術(shù)主要分為FDM熔融層積成型技術(shù)、3DP微滴噴射成形技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)和SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)等。FDM熔融層積成型技術(shù)是以條狀的熱熔性材料為原料，打印過(guò)程中將材料加熱融化并從噴頭擠出。在計(jì)算機(jī)的控制下，按照預(yù)定路線在一個(gè)層面上繪制出輪廓信息，一層完成后噴頭提高一個(gè)分層厚度或工作臺(tái)降低一個(gè)分層厚度進(jìn)行下一層繪制。如此反復(fù)直到整個(gè)工件完成。FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于成型材料種類多、精度較高。3DP微滴噴射成形技術(shù)使用粘結(jié)劑配合粉末材料成形，打印過(guò)程中在一個(gè)層面均勻鋪設(shè)粉末，然后使用噴頭將粘結(jié)劑噴涂到粉末上形成一個(gè)輪廓信息，逐層反復(fù)直到整個(gè)工件完成。3DP技術(shù)色彩靈活，可以打印全彩色3維模型。SLA立體平版印刷技術(shù)以液態(tài)光敏材料為原料，計(jì)算機(jī)控制激光在一個(gè)層面上對(duì)原料進(jìn)行照射，原料產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化形成一個(gè)截面。逐層反復(fù)直到整個(gè)工件完成。SLA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為成型速度快、工件精度高。SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)以粉末為原料，計(jì)算機(jī)控制激光在一個(gè)層面上對(duì)原料進(jìn)行照射，原料高溫?zé)Y(jié)固化形成一個(gè)截面。逐層反復(fù)直到整個(gè)工件完成。SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為材料種類多，工件強(qiáng)度高。

三、3D打印過(guò)程

3D打印可以分為四個(gè)步驟：建模、格式轉(zhuǎn)換、打印和后處理。

1.建模。3D打印的第一步是在計(jì)算機(jī)中建立三維模型。目前建模主要有3種方式：①使用3Ds Max、Solidworks、AutoCAD等3維建模軟件建模；②使用3維掃描儀建模；③使用AutoDesk 123D Catch、Agisoft PhotoScan等攝影測(cè)量與建模軟件建模。本文采用第一種方式進(jìn)行建模，部分《航空儀表設(shè)備》課程教具的3Ds Max設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

2.格式轉(zhuǎn)換。3D打印的第二步是將3維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件。STL文件格式是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一個(gè)接口協(xié)議，是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式。STL文件由多個(gè)三角形面片的定義組成，每個(gè)三角形面片的定義包括三角形各個(gè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量。STL文件創(chuàng)建完成后將生成Gcode代碼，Gcode代碼包含有切片信息，是一種數(shù)控編程語(yǔ)言，其中可以設(shè)定支撐、層厚、建造方向等參數(shù)。CURA軟件中顯示的STL模型如圖2所示。

3.打印。3D打印的第三步是將Gcode代碼載入3D打印機(jī)。載入后，3D打印機(jī)就可以按照預(yù)定程序逐層打印工件了。打印過(guò)程中注意保證原料充足，進(jìn)料順暢。打印時(shí)間由工件大小、打印方式、材料、精度決定。3D打印過(guò)程如圖3所示。

4.后處理。3D打印的第四步是后處理。打印后的工件會(huì)存在多余支撐、毛刺等問(wèn)題，需要進(jìn)行清潔和打磨，打磨后工件完成，如有需要還可以進(jìn)行上色。部分《航空儀表設(shè)備》課程教具的最終效果如圖4所示。

四、教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用及效果

《航空儀表設(shè)備》課程要求學(xué)員系統(tǒng)掌握航空儀表設(shè)備的功用、結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)控制關(guān)系、信號(hào)流程與電路走向、故障模態(tài)與可能原因、維護(hù)基本要求等，從而形成進(jìn)行專業(yè)工作的工程思維意識(shí)、設(shè)備工作狀況分析基本能力、通電與檢查基本操作方法與實(shí)施機(jī)務(wù)準(zhǔn)備基本技能等專業(yè)能力。近年來(lái)，我們將3D打印教具在《航空儀表設(shè)備》課程教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了應(yīng)用。實(shí)踐證明，這可以大大拓寬學(xué)生思維空間，增強(qiáng)學(xué)生空間想象能力，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化課堂互動(dòng)，從而使學(xué)員能夠迅速地掌握航空儀表設(shè)備的原理和構(gòu)造，提高學(xué)習(xí)效果。

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