三维打印实验教学的研究

朱小明

（华南理工大学 广州学院，广州 510800）

0 引 言

有专家预言“三维打印技术将带来第三次工业革命”。近年来三维打印技术迅猛发展，走进了各行各业。高校对三维打印技术的教学也越来越重视，机械、电子、生物医学等专业的相关院校都购置了三维打印机，开展三维打印技术的实验教学。如何让三维打印在高校中得到更好的推广和应用，第一步就是要制定好的实验课程，使其在机械制造及其他学科领域发挥更大的作用。三维打印的实验教学以提高学生的产品创新能力、设计能力和实际动手能力为主，主要包括三维软件建模和使用三维打印机打印产品。本文结合实际的教学过程，开展三维打印实验教学的研究，包括实验教学理念的建立、教学的条件和实验教学的主要设计思路，以规范实验教学，提高实验教学质量。

1 教学理念的建立

三维打印实验教学主要是培养学生创新和工程实践能力。学生可以边做边学，设计、打印和测试自己的作品，通过一系列的动手实验了解和实现自己的设计思想、设计作品。应该鼓励学生设计和三维打印人们能够使用的一些物体，或者无法在别的地方找到的特制模仿品，把自己的设计想法变成现实的东西，从中学到或感受到更多的东西。例如，在计算机上看起来很好的模型，打印出来后却不太尽如人意，可能会比预想中的要大，外观效果不够完美或者强度不够等等。

三维打印实验教学还应能够帮助在传统教育中表现不太好的学生重新建立信心。有些学生在传统理论教学中学不好，但使用设计工具和三维打印产品时也许能做得很好。所以三维设计和三维打印对拥有“视觉”或“触觉”学习方式的学生有很大的吸引力。

2 实验教学的条件

三维打印实验教学主要是CAD 软件建模和三维打印机加工产品。在CAD 软件建模方面，主要考虑使用何种CAD 软件。实验时间较短，均为一天或两天时间。如何在有限的时间内使学生更快、更好地学习和掌握建模技术，CAD 软件的选择很重要。其中SolidWorks 软件是一个不错的选择。该软件界面简洁，操作简单，建模速度快，非常适合初学者使用，使没有建模基础的学生也能在短时间内建立一些简单的模型。

为了学生有真正动手操作的机会，能把虚拟的三维数据变成现实产品，提高动手能力和学习兴趣，学校在三维打印机的配置上要做好工作。最初，由于经费的限制，很多学校只能购置一台价格为十几万以上的三维打印机，一台的数量根本无法满足实训的要求。学生一般只能看看，很少有动手操作的机会。随着三维打印机的降价和简易实验用普及式打印机的推出，学校能用有限的经费购买多台普及式打印机。该类型打印机具有结构简单，体积小；软件系统具有开放式，便于学习和使用的特点。在成形过程中可清楚地观察工件的成形状况，便于操作者了解打印原理和过程。

3 实验教学的设计思路

1）安排合理的教学内容。参加实验教学的学生来自不同的专业，教学时间的安排也不同。例如机械专业的实验时间为两天，其它专业（汽车、电信等）均为一天。所以要结合学生专业特点和实验时间安排合理的教学内容。一天实验时间的教学，要求学生能完成简单模型CAD 为主，软件教学要简单、实用，介绍的特征命令包括拉伸凸台、拉伸切除、旋转。在打印机教学上只包括打印机的基本操作和软件中简单参数的设定，不会强制要求做到优化加工。在工艺原理中只包括FDM 工艺。两天实验时间的教学，要注重作品的设计质量。在CAD 软件教学上，特征命令会相应增加，包括拉伸凸台、拉伸切除、旋转、旋转切除、扫描等，案例模型难度也会加大。三维打印作品上不但要完成加工，而且要做到工艺参数的优化加工，所以控制软件中各参数的设置会做详细的讲解。在FDM 工艺原理的基础上，会拓展其它类型的三维打印工艺，例如SLA、SLS 等。

三维打印教学安排在学生产品建模后，会造成学生同一时间扎堆使用打印机的情况，所以要在产品建模前完成三维打印教学。这样，先完成CAD 建模的学生可以先进行打印，未完成的同学继续使用电脑建模。在有限的时间和设备资源下，使学生动手操作的机会最大化。

2）运用多种教学方式，提高学习兴趣。要编好相关的实验指导书，并在实验中运用多种教学方式。教学中使用多媒体课件，课件中多以动画、视频和图表等生动直观的形式为主。搜集三维打印相关资料和最新信息动态，课堂上提供给学生；并向学生提供相关的学习网站，供学生课后学习研究。进行实验室现场的三维打印作品展示和说明，提高学生学习兴趣。课堂上多以提问、启发、比较、讨论等方式上课。在老师的引导下，学生通过小组讨论和互助的方式来学习，充分调动学生的积极性。录制一些软件建模视频和打印机操作视频，方便学生对所学知识进行复习，加深理解，增加操作信心。

3）强调原创性和创新性。学生在实验中三维打印的产品必须是自己设计或是经过设计改动过的，不可直接使用已有的产品模型进行加工。鼓励和引导学生结合专业特点进行产品创作或对现有的产品进行创新，即使是小小的设计或改变，也能使学生真正参与设计思考工作。例如机械专业的学生，可引导他们在设计上与机械原理等学科结合，设计一些典型的机械模型，例如发电机、齿轮等。通过设计、三维打印、产品分析，使学生从视觉、触觉上深刻领会相关的原理和设计。

针对个别学生建模能力较差或产品模型比较复杂的情况，可为学生提供初步的CAD 模型，让学生参考建模方法或对其模型进行改良设计，提高建模效率。

4）注重动手能力、协作能力的培养。在实验中，确定设计方案、产品建模和三维打印产品这些过程学生必须要亲自实践动手完成。上课前分组，确定人数，选好组长，明确组长责任，由组长协助老师对本组学生进行管理，协调本组学生进行作品设计讨论交流，一起解决产品建模和打印操作中遇到的问题，既能相互监督，又能培养学生之间的团队协作能力。避免个别学生因遇到困难，而失去学习或动手操作的兴趣。

加工结束后，学生对自己产品进行展示和说明，学生相互交流。老师对作品进行登记、点评和总结，向学生提出一些相关问题。这样可以有效地督促学生进行学习和动手操作，营造良好的学习氛围。

4 结 语

在实验中，学生设计了许多高质量且富有创意的作品。通过三维打印产品，使设计变成了现实，学生充满了自豪感与成就感，增强了自信心和激发了创作力。另外，三维打印实验室也为本校参加机械类设计比赛的学生提供了更深入的三维设计和打印技术培训，学生利用三维打印机就能轻松地加工出产品，也为进一步的产品测试和修改节省了大量时间。开展教学一年多，三维打印实验教学受到了学生的广泛好评。

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