将3D打印技术融入机械教学的探索

李志勇

摘要：本文在分析3D打印应用于学校教学的可行性基础上，结合机械专业日常教学中的实际问题，对特5D打印技术融入到机械制图、模具专业的教学中进行了有益的探索和实践，以期提高学生的空间想象能力，促进学生学习积极性，激发学生的创造性。

关键词：3D打印技术 机械教学 模具专业

3D打印被称为新一轮工业革命的代表技术，得到了各国政府的重视。2015年，《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》以及《中国制造2025））相继出台，彰显了我国对于发展3D打印产业的决心。

然而在与3D打印技术有着密切联系的机械相关专业的教学中，仍有占比相当大的授课内容采取的是传统教学方法。即将整个专业的基础课和专业课通过教师以理论教学的方式讲述机械基础、机械设计等课程，特别是作为机械语言的机械制图课程的教学，仍是采用原来的方式教学。但抽象的三维概念对学生的空间想象能力提出了更高的要求。所以，如何利用现代化的手段降低教学内容难度，是摆在我们面前必须着手解决的课。

当3D打印技术引入学校以后，在设计的过程中可以充分地发挥设计者的想象力和空间探索能力，反过来可以通过3D打印技术，降低初学者对于三维空间想象能力的理解，从而可以更快更好地将学生带入机械制图的学习，大大提高学习效率。对此笔者结合学院的实际情况，进行一些有意义的探索。

一、3D打印应用于学校教学的可行性

3D打印应用服务于日常教学，主要的问题是3D打印设备的成本、打印材料成本以及打印时间，下面从三个方面进行分析。

1.3D打印设备成本

目前常用的3D打印机主要是桌面级3D打印机，此类打印机采用的是FDM熔融沉积技术，由于目前很多3D打印机生产厂家“拼价格”，所以打印机的价格并不是很高，毕竟桌面级打印机要求精度不高，大多数厂商都能做到这种精度。桌面级3D打印为大众化应用设计提供了很多便利，促进了3D打印概念的普及。

2.3D打印耗材的成本

3D打印耗材即是3D打印机所使用的材料，目前常用的材料有尼龙、PLA、光敏树脂等，由于材料不同，其价格相差也很大，目前使用较多的是PLA和ABS，价格在每千克几十元，完全在学校日常教学可接受的范围。

3.3D打印时间

目前普遍采用的桌面型3D打印机的一个重要的缺点就是打印速度太慢，打印一件作品需要很长的时间。

二、3D打印工作原理

3D打印需要经过的四个过程：建模、切片分层、打印和后处理

1.建模

建立3D打印模型主要有两种方法：一是采用3D设计软件如UG、CATIA、Solidworks、creo等建立三维数字化模型；另一种是采用抄数机或者扫描仪直接获取目标对象的三维数据，经过软件处理，生成数字化三维模型。

2.切片分层

3D打印机不能直接进行3D打印，在建立数字化三维模型之后，要生成3D打印切片软件识别的STL文件，经过切片软件切片处理，生成3D打印设备识别的Gcode代码，然后进行3D打印。

3.打印

使用3D打印机，直接连接电脑或者将Gcode代码导入设备进行打印。

4.后处理

打印完成的模型由于设备本身的精度问题和在打印过程中耗材的热膨胀率、产生的支撑等影响，会在模型表面产生一些毛刺，表面粗糙等问题，这些都是要人工清理的，对于对尺寸要求比较高的模型，要进行更仔细的清理打磨工作，有的模型还需要曾加强度处理和上色处理等。

三、3D打印技术在教学方面的应用现状

目前在教育工作者的不懈努力和探索下，有很多将3D打印技术与教学相整合的探索，在学生使用3D打印机的过程中可以提高学生的动手能力，激发学生学习的兴趣，增加学生探索科技的动力，感受科技飞速发展的力量。3D打印技术可以很轻易地将学生脑中想象的模型快速转化成实体，加速从设计到制造的转化速度，从而促进学生的想象力和设计创新的能力。学院目前采用的打印设备主要是FDM和SLA，通过实际应用，比较适合教学。

FDM打印機的特点是设备便宜，国产的打印机的价格在几千元不等，进口的设备在万元以上，另外，此类打印机还具有操作简便，使用方便，对场地条件要求低，便于维护，而且打印耗材也相对便宜，可以使用的材料种类比较多等优点，缺点是打印精度相对较低，对于一些复杂的模型，由于切片软件不够强大，有的难以成型，限制了使用范围。另外，还有打印速度缓慢，材料存在热膨胀率，打印精度难以保证，后处理较困难等问题。其主要适用于一些手板的打印和一些对尺寸要求不高、装配精度要求不高的零件或模型。

SLA相对于FDM的优势在于采用成熟的固化成型技术，加工速度快，生产周期短。由于此类打印机配套的软件处理能力较为强大，所以可以加工一些外形制造复杂或者使用传统制造方法难以加工成型的模型。但是此类设备的造价高昂，动辄几十万甚至上百万，对使用环境的要求也较高，其耗材主要是光敏树脂，成本很高。目前其主要应用于对模型尺寸要求较高或者对装配精度要求较高的零件或模型。

四、将3D打印技术融入机械教学的探索

1.3D打印技术在机械制图教学中的应用

在机械专业中，机械制图是一门重要的基础专业课，被称为机械设计的语言，但是在传统教学过程中，授课教师总是要围绕着一个或者几个问题，反复地向学生进行阐述，随着多媒体教学的引入，可以在一定程度上帮助学生理解学习内容，但是仍不能随心所欲地去探索三维空间。

3D打印技术的到来，给学生探索三维空间，打开思维敞开了大门，他们可以将脑中形成的想法，利用3D打印机快速地实现。试想一下，对于一个初学机械制图课程的学生，让他在脑中实现某一三维模型的主视图、左视图、俯视图等识图是有一定困难的，更不要提在脑中将三维模型随意翻转了。但是，有了3D打印技术，三维模型完全可以在短短的几个小时内打印出来，这对于学生的理解将会产生巨大的促进作用。有了实物模型，反过来绘制二维投影视图就简单了很多，这将大大缩短学生学好机械制图的时间。

通过上面的分析我们不难看出，学好机械制图的核心内容就是要具备相当好的空间想象能力，而这一能力的培养，在过去，需要相当长的时间，通过接触相当多的实物和图样才能具备。而现在，3D打印技术可以帮助学生在较短的时间内培养出较强的空间想象能力。

2.3D打印技术在机械模具专业中的应用

在以往的机械模具专业的教学过程中，教师将学生的设计转变为实体或者产品，几乎是不可能的事情。但是现在，由于3D打印技术的使用，这些已经成为现实。将设计打印成产品，大大增强了学生的信心，并且通过对实体的使用，可以实现对设计的有效改进。能做到这样，主要依赖于3D打印相对于机械加工模具在价格上的优势，时间上也存在相当大的优势。

3D打印技术快速地进入我们的思想，慢慢地渗入我们生活中的各个角落，同样，也在各个方面服务于我们的日常教学，特别是在传统教学方法难以实现的地方。我们相信，经过机械专业教育工作者的不懈努力，3D打印技术将会和机械教学融合得更好！