3D打印与机械类专业教学相融合的应用与探究

1、    3d打印与机械类专业教学相融合的应用与探究    摘 要：3d打印技术作为新一轮工业革命的核心技术，是智能制造的核心内容。本文介绍了3d打印技术在机械类专业课程教学中的应用，实物教具进入课堂教学，能够提高学生的学习兴趣，加深学生对理论知识的掌握;同时还介绍了3d打印技术在实践教学中的应用，学生利用3d打印完成产品的设计与制作，培养学生的实践能力和创新思维，对学生今后的专业技能和职业发展产生深远影响。关键词：3d打印;课程教学;实践教学;创新doi：10.16640/ki.37-1222/t.2019.22.1870 引言上世纪九十年代，制造技术迎

2、来了一名新成员3d打印技术（又称增材制造技术）。它的出现，是制造科学与技术发展的新机遇，是制造业有代表性的颠覆性技术，被视为“第三次工业革命”的代表。它的发展在一定程度上反映了国家的经济活力，是支撑创新和创业的利器，是“中国制造2025”的发展关键1。3d打印技术的实施，一方面能快速改变我国传统产业面貌和发展模式，以原先制造所用的一半时间、一半成本，提升我国制造业的竞争力;另一方面能带动设计、制造和材料三位一体发展，存进相关产业的发展与提升，有力推动我国制造业转型升级。高校作为创新人才培养的主要场所，应大力发展3d打印技术，不断探索和寻找该技术与不同专业的结合点。将学生所学专业与3d打印技术相

3、结合，利用其优越性帮学生更好地掌握专业知识，使学生在设计过程中激发创新思维，在实践过程中锻炼动手能力。1 3d打印技术简介3d打印技术，属于快速成形技术的一种。首先通过计算机辅助设计建模软件建模，以此模型文件作为基础，然后通过相关软件将模型进行“切片”处理，电脑将这些切片信息传送到3d打印机上。3d打印机运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，根据这些数字切片喷涂一层层的薄型层面，再将薄型层面堆叠起来，最终完成一个实体模型。它的出现体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的紧密结合，是先进制造业的重要组成部分2。3d打印技术与传统的制造技术相比较，大大缩短了生产时间，减少了材料的浪费，降低了生

4、产成本，提高了产品的可靠性，同时可以制作相对复杂结构的产品，满足个性要求等。随着科技技术的不断发展，3d打印将会引发生产方式和社会生活的变革。2 3d打印与课程教学相融合在传统的机械类课程教学中，整个课堂教学方式单一。虽然课堂上教师采用了多媒体技术与板书结合的方式，但依然是以教师为主的一味灌输，课堂枯燥乏味，学生很难参与并理解，教学效果不尽如人意。将3d打印技术应用到机械类的课堂教学中，学生直接面对实物模型，增强学生的认知能力，提高课程教学效果。2.1 与机械制图相融合图是工程师的语言，作为机械专业的学生，看图能力和绘图能力两者缺一不可，那么机械制图课程的重要性不言而喻3。但机械制图课程对学生

5、的空间想象力有很高的要求，比如两个形体相贯后的相贯线，用平面截切立体形成的截交线，组合体的视图等，如果想象不出来，就会使得这门课程学习起来非常困难。在机械制图课程中融入3d打印，教师可以根据实际教学，打印出所需要的任何模型，这些模型的制作非常简单方便且制作成本低廉，但却能很好的为学生解答学习中的困惑。学生可以根据具体的实物图，观察各种线的形成进而绘制三视图。学生在大量的三視图与实物图之间进行反复对照研究，找出制图中遵循的规律，并在实践中加深理解。2.2 与机械原理相融合机械原理课程是一门知识面较广，实用性较强的课程，笔者在近五年的教学中，学生普遍反应本门课程学习起来较为困难，说明目前的教学模式

6、还有待改进。在机械原理课程中融入3d打印，将大大改善原有的教学模式。例如在讲解平面连杆机构的基本知识时，可以让学生以小组为单位，提前用3d打印机打印出长短不一的连杆。教师在上课时采用探究式和启发式的方式来授课，学生根据自己手里的连杆拼接平面铰链四杆机构，以任意长度的四个连杆进行组合，探索曲柄存在的条件，并在此基础上进而探索以不同构件作为机架时，铰链四杆机构的类型的变化。这样可以调动学生在课堂学习的兴趣，活跃课堂氛围，增加学生课堂的参与感，提高教学质量。3 3d打印与实践教学相融合实践教学作为课程教学的重要组成部分，是对理论教学的补充和延伸，与理论教学相辅相成。学生在实践过程中，运用理论所学，提

7、高自身实践动手能力和创新能力4。我校增材制造创新中心（又称“3d打印实验室”）成立于2017年11月，配备有50台3d打印机。该实验室为开放型实验室，可以满足学生完成产品的设计、打印和后期处理等，使产品达到一定的功用。3d打印技术与实践教学相融合，鼓励学生参加创新比赛，提高学生的实践能力和综合设计能力。3.1 与三维制图软件相融合3d打印作为一种先进的制造技术，吸引了不少大学生的好奇心。学生只有在计算机里绘制出产品的相应模型，打印机才能将模型打印成成品。这就要求学生必须熟练掌握三维绘图软件，如solidworks、pro/engineer、3dmax、ug等等。虽然我校并没有开设三维制图软件的

8、相关课程，但随着3d打印实验室的建立，在我校学生中间掀起了一股学习三维软件绘图的热潮。学生能深切地意识到绘图能力的重要性，才能更主动地去学习，学习效率大大提高。只有掌握了三维绘图这个基本技能，3d打印才能发挥作用。3.2 与课程设计相融合课程设计是专业课程的最后一个环节，是对学生进行的一次全面的设计训练。我校机械设计的课程设计内容一般为机械装置（如结构简单的机械、机械传动装置和减速器等）的设计。设计时间一般为三周，要求学生最终提交装配图、重要零件的设计图和设计说明书。这种传统的课程设计仅停留在纸面上，导致效果不佳。将3d打印技术与该课程设计相融合，引入三维绘图设计的新思路。学生首先在三维绘图软

9、件中进行减速器的零件的设计，然后完成减速器的装配，在装配过程中，观察各个零件的配合情况以及是否发生干涉，最后利用3d打印机将所有零件打印出来并完成组装。这样一个完整的减速器就做出来了。这种利用3d打印技术对计算机所建的虚拟模型进行实体制造，可以大大增加学生的兴趣和学习主动性。这种设计方法也可以对其他的课程设计起到借鉴作用。3.3 与大学生创新创业相融合为适应“大众创业，万众创新”的新浪潮，培养创新创业的主力军，激发大学生的双创热情，我校3d打印实验室为学生的双创提供了基础设施，在很大程度上能够促进双创项目的完成。学生根据创新创业项目要实现的功能和目标，提出自己的创意和想法，利用绘图软件设计出三

10、维模型，再打印成成品，对打印的成品进行后续处理并进行优化改进，最终变成能够实现某特定功能的产品，完成了设計到制造的一体化。让更多的学生参与到创新设计中来，感受科技的魅力，让更多的学生受益。3.4 与学科竞赛相融合学科竞赛是培养创新型人才的重要环节，是培养大学生团队合作精神的有效途径5。我校3d打印实验室的创建，为学生提供了一个可自由发挥的平台，学生参加学科竞赛的积极性明显提高。我校学生的作品“集中货物长行程遥控避障起重机”在2018年中国大学生机械工程创新创意大赛“矿源杯”第三届全国大学生起重机创意大赛中获奖，该作品中除了控制部分以外其余零部件都是学生自己设计使用3d打印机打印完成。我校学生团

11、队参加2018一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛首届工业结构优化设计及其增材制造技术大赛，荣获工业结构优化设计及其增材制造技术大赛团体三等奖。4 结束语3d打印作为新兴的先进制造技术，将其技术优势与机械专业课程相融合，全面拓展和完善教学方法，不断推进实践教学，构建理论和实践相结合的课程体系，培养学生的实践创新能力，更进一步激发学生对机械设计的兴趣，提高学习效果。今后还应不断探索3d打印与其他专业课程的融合，让3d打印更好地为课堂教学服务，更好地为学生的创新能力培养服务。参考文献：1王强，姜明伟，郭书贵.中国增材制造产业发展现状及趋势分析j.中国科技产业，2018（02）：52-56.2杜国光，周明全，周蓬勃，付倩.未来设计新思路探讨从传统制造技术到3d打印设计新框架c.北京：第三届交互