田國強(qiáng)，尹 欣，李 征，吳 凱，劉元朋

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空宇航學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

《機(jī)械制造技術(shù)》課程是機(jī)械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程，課程內(nèi)容呈現(xiàn)出較強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性，涉及的部分機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜抽象，學(xué)生理解難度較大。在教學(xué)活動(dòng)中，傳統(tǒng)的授課方式主要以多媒體課件與老師口頭講述結(jié)合為主，就會(huì)出現(xiàn)抽象化的知識(shí)講述不清楚，學(xué)生難以理解，不易接受消化。

教具在教學(xué)過程中發(fā)揮著巨大的作用，利用教具可幫助學(xué)生直觀地理解抽象復(fù)雜的機(jī)械專業(yè)知識(shí)，有利于提升學(xué)生空間想象能力和理解能力，從而來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升實(shí)際學(xué)習(xí)效果[1-2]。但是傳統(tǒng)教具存在結(jié)構(gòu)單一、形式老舊的問題，而且生產(chǎn)周期長、采購成本高會(huì)造成教輔資源的不足，不利于教學(xué)活動(dòng)的展開。

3D打?。ㄓ直环Q為增材制造）技術(shù)是近年得到快速發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)，非常適用于教具等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)和制造。用其制造的教具質(zhì)量輕，可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)尺寸，且可以對教具進(jìn)行設(shè)計(jì)從而體現(xiàn)抽象概念。本研究探討使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造教具，并將教具引入課堂提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生學(xué)習(xí)效率，助力機(jī)械制造技術(shù)課程的教學(xué)改革。

1 3D打印技術(shù)介紹

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[3]。目前，3D打印技術(shù)主要分為以下幾類：

（1）光固化3D打印。該技術(shù)是最早出現(xiàn)的3D打印技術(shù)，是業(yè)界廣泛使用的最成熟的3D打印技術(shù)。該技術(shù)基于液態(tài)光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制紫外激光使液態(tài)樹脂固化成型。

（2）熔融沉積快速成型。該技術(shù)是通過高溫將絲狀塑料材料融化，然后打印噴頭將熔融材料擠出噴頭冷卻固化，層層累積在三維空間內(nèi)形成立體實(shí)物。

（3）選擇性激光燒結(jié)。該技術(shù)利用粉末材料在激光照射下高溫?zé)Y(jié)，也就是通過計(jì)算機(jī)控制光源定位裝置實(shí)現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結(jié)堆積成型。該技術(shù)的優(yōu)勢在于，可使用材料廣泛，像尼龍、鐵、鈦、合金、陶瓷、覆膜砂等等；再者，由于SLS技術(shù)并不完全熔化粉末，而是僅將其燒結(jié)，因此成型效率高且無須支撐。

（4）疊層實(shí)體制造。該技術(shù)是以CAD模型為參照物，在計(jì)算機(jī)控制下，利用激光技術(shù)，將供料系統(tǒng)提供的紙或箔材切割出輪廓線，采用熱壓技術(shù)將多層切割好的紙或箔材壓緊粘合在一起，層層遞進(jìn)，最終制造出三維產(chǎn)品。

（5）三維印刷（3DP）。該技術(shù)通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面粘結(jié)出來并一層層堆積成型。該技術(shù)能使用的材料比較多，如石膏、塑料、陶瓷和金屬等，而且還可以打印彩色零件。

（6）金屬3D打印。金屬3D打印工藝是一種通過數(shù)字化控制，利用激光、電子束等高能束作為能量源將金屬粉末、金屬絲材燒結(jié)，逐層累加，快速成型的新興技術(shù)。

在以上3D打印技術(shù)中，熔融沉積快速成型由于工藝成本低，且成形材料為塑料，制件質(zhì)量輕，因此在教具制作方面得到最廣泛應(yīng)用[4-5]。

2 3D打印教具設(shè)計(jì)制作方法

目前，基于3D打印的教具制作方法主要有以下兩種[6-7]：

（1）正向設(shè)計(jì)+3D打印。將設(shè)計(jì)的CAD模型轉(zhuǎn)換為三角面片STL模型，導(dǎo)入三維打印軟件中，進(jìn)行分層及數(shù)據(jù)處理，生成3D打印機(jī)能識(shí)別的數(shù)控指令，逐層累積打印出所設(shè)計(jì)的實(shí)體零件模型。即先設(shè)計(jì)出零件的三維模型，再將其分為逐層的截面，打印機(jī)對三維模型文件的截面信息進(jìn)行讀取，這些截面會(huì)被一層一層打印出來，從而制作出整個(gè)零件。

（2）逆向設(shè)計(jì)+3D打印。利用如激光掃描儀、X射線斷層成像儀等測量設(shè)備，對既有目標(biāo)產(chǎn)品外形進(jìn)行數(shù)字化掃描，獲取完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后借助逆向工程軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維逆向建模，優(yōu)化三維模型數(shù)據(jù)，得到精確的零件模型，再利用3D打印機(jī)制作出零件。

以上兩種方法中，“逆向設(shè)計(jì)+3D打印”方法由于基于逆向工程技術(shù)直接獲取實(shí)物數(shù)字模型，不受制于實(shí)物模型的結(jié)構(gòu)限制，省去了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造型難度，因此特別適用于具有較多復(fù)雜曲面的教具設(shè)計(jì)制作。

3 3D打印教具在《機(jī)械制造技術(shù)》課程教學(xué)中應(yīng)用及優(yōu)勢

在機(jī)械制造技術(shù)課程內(nèi)容中，涉及較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如在金屬切削部分涉及車刀、銑刀、麻花鉆、拉刀、滾齒刀等較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)刀具，在機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)部分涉及摩擦片式離合器、齒形離合器、塔形齒輪等復(fù)雜零件，在機(jī)床夾具部分涉及夾具體、夾緊機(jī)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)較為抽象，理解較為枯燥。在教學(xué)過程中，可以5-6位同學(xué)一組，利用3D打印技術(shù)針對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)制作教具，有助于提升課程教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)，具體表現(xiàn)為以下三個(gè)方面：

（1）在課堂教學(xué)方面，機(jī)械制造技術(shù)的傳統(tǒng)授課方式主要以PPT講解和板書結(jié)合為主，但對于課程中涉及的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，PPT和板書表現(xiàn)不直觀，學(xué)生理解起來比較抽象枯燥，不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如果使用3D打印技術(shù)針對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)制作出教具實(shí)物，對于學(xué)生了解這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其涉及的專業(yè)知識(shí)就更為直觀，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，機(jī)械制造技術(shù)課程會(huì)安排課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但是僅僅是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)以學(xué)生觀看了解現(xiàn)有零件實(shí)物、設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過程為主，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提高。在引入3D打印教具制作后，學(xué)生在設(shè)計(jì)教具的過程中要首先結(jié)合教材知識(shí)和課堂講解進(jìn)一步復(fù)習(xí)已學(xué)知識(shí)，熟悉理解所設(shè)計(jì)的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而加深了學(xué)生對這些復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的掌握程度。在制作教具的過程中學(xué)生動(dòng)手操作3D打印設(shè)備，也熟悉了3D打印設(shè)備的相關(guān)工藝參數(shù)。教具制作完成后，學(xué)生觀看教具，更進(jìn)一步直觀理解了相關(guān)的課程教學(xué)內(nèi)容。這樣進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比驗(yàn)證性類型的實(shí)驗(yàn)整體綜合性更強(qiáng)，將動(dòng)手實(shí)踐能力與理論相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。

（3）在課程知識(shí)融合方面，在傳統(tǒng)授課過程中學(xué)生僅僅學(xué)習(xí)《機(jī)械制造技術(shù)》本門課程知識(shí)。通過引入教具設(shè)計(jì)制作，學(xué)生除學(xué)習(xí)《機(jī)械制造技術(shù)》課程知識(shí)，還綜合學(xué)習(xí)和應(yīng)用了多門其他課程知識(shí)，如在教具設(shè)計(jì)過程中，使用到了《機(jī)械設(shè)計(jì)》《三維造型及應(yīng)用》課程知識(shí)，在教具制作過程中，運(yùn)用到了《先進(jìn)制造技術(shù)》課程中的逆向工程、3D打印等知識(shí)。以教具設(shè)計(jì)制作為教學(xué)手段，使學(xué)生系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)械類專業(yè)多門課程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了融合多門課程知識(shí)綜合解決工程實(shí)際問題的能力。

4 教具制作及應(yīng)用案例

以立銑刀教具為對象，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行教具的設(shè)計(jì)及3D打印制作。由于立銑刀有多個(gè)刀齒，刀齒上具有復(fù)雜的曲面形狀，直接造型較為困難，因此選擇逆向工程方法獲取已有立銑刀實(shí)物數(shù)字模型，并進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，而后進(jìn)行3D打印教具制作。

本研究選擇某典型立銑刀為掃描實(shí)物對象（見圖 1（a）），采用ATOS Compact Scan光學(xué)掃描儀對立銑刀進(jìn)行光學(xué)掃描（見圖1（b）），得到了立銑刀的三維數(shù)字模型（見圖1（c））。接下來，通過逆向工程軟件Geomagic DesignX進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、片體優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理，建立立銑刀的基面、切削平面、正交平面、后刀面等主要參考平面，并對數(shù)字模型進(jìn)行尺寸放大，以方便教學(xué)展示和學(xué)生觀察。設(shè)計(jì)所得的立銑刀教具數(shù)字模型如圖1（d）所示。

圖1 基于逆向工程方法的立銑刀教具設(shè)計(jì)

由于立銑刀切削部位的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要對其進(jìn)行重點(diǎn)講解，以便學(xué)生理解。為此，重點(diǎn)針對設(shè)計(jì)的立銑刀教具切削部位，基于熔融層積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)，采用絲狀PLA材料，通過M3145K打印機(jī)制作出教具實(shí)物。打印設(shè)備如圖2（a）所示，打印所得的教具實(shí)物如圖2（b）所示。在教具設(shè)計(jì)制作過程中，學(xué)生綜合應(yīng)用了三維光學(xué)掃描、逆向工程造型設(shè)計(jì)、3D打印等知識(shí)，并詳細(xì)掌握了機(jī)械制造技術(shù)課程中立銑刀結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)。教具制作完成后，教師結(jié)合教具對該部分知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，進(jìn)一步加深學(xué)生對課堂知識(shí)的理解和掌握。

圖2 立銑刀教具的3D打印

5 結(jié)論

針對機(jī)械制造技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，提出3D打印技術(shù)自制教具引入機(jī)械制造技術(shù)課程的教學(xué)活動(dòng)中。學(xué)生利用前期機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行教具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，并利用3D打印設(shè)備進(jìn)行教具制造，構(gòu)建了設(shè)計(jì)課程知識(shí)和制造課程知識(shí)一體化的教學(xué)模式，提高了學(xué)生綜合應(yīng)用多門課程知識(shí)的能力及實(shí)踐動(dòng)手能力。同時(shí)，將學(xué)生制作的教具引入機(jī)械制造技術(shù)理論課堂教學(xué)過程中，增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性，極大地推動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而在課程教學(xué)改革中起到積極的促進(jìn)作用。