3D打印技术在“机械优化设计”教学中的应用研究＊

蔡盼盼，鲁忠臣

3D打印技术在“机械优化设计”教学中的应用研究＊

蔡盼盼，鲁忠臣

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

针对“机械优化设计”课程教学中存在封闭式教学、理论脱离实践等局限性，将3D打印技术中的优化案例引入到教学环节中。通过学生课前调研、课上讨论、课后总结等形式，提高了学生识别、分析和解决某一具体工程问题的能力。

3D打印；优化设计；案例教学；封闭式教学

“机械优化设计”是机械类专业的一门必修课程，其教学目的是使学生掌握优化设计的基本理论和方法，能够解决实际工程中的机械优化设计问题[1]。目前课程教学中存在封闭式教学、理论脱离实践等局限性，不利于提高学生的工程实践能力，难以满足课程教学中的需要。3D打印技术（3D printing）是快速成型技术中的一种，它是在数字模型文件的基础上，运用粉末金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造零物件的技术。3D打印技术具有成型速度快、材料利用率高、生产周期短与数字化程度高等特点，目前已在机械行业及其他领域得到广泛应用。本文拟将3D打印优化研究融入到“机械优化设计”教学中，运用打印成型方向和分层厚度的优化设计、喷墨路径的优化设计等案例，调动学生参与讨论、分析实践的积极性，提高其识别、分析和解决某一具体工程问题的能力。

1 基于3D打印优化设计的案例选择

1.1 3D打印技术中的优化设计

因现有3D打印成型效率和成型质量无法满足工业级要求，但仍用于精度要求不高体积也较小的行业。为了进一步提高成型效率和成型时间，扩大3D打印技术应用的广度和深度，诸多学者对打印设备、打印模型及打印过程等问题进行了优化设计。闵畅等针对FDM型3D打印机常遇到的模型坍塌、开裂，拉丝、喷头堵塞等问题进行了原因分析，在总结现有结构存在的缺陷的基础上对打印材料、控制和设备结构等方面进行了优化设计[2]；徐文鹏等通过模型力学计算建立了基于最大应力与材料允许应力比的体积优化模型，然后再对网格进行优化计算[3]；赵吉宾等通过分析多边形轮廓的填充特点，提出一种填充扫描矢量方向的优化方法，建立了多边形轮廓填充矢量方向的近似最优化模型[4]；西安电子科技大学梁永涛[5]提出了一种基于模型误差计算调整分层厚度的自适应调节优化打印方法，该方法可在保证成型质量的前提下提高打印效率，对几何特征复杂的三维模型同样具有很好的分层效果。武汉理工大学的余世浩等[6]在对3D打印分层厚度的研究中具体论述了分层厚度与零件的成型质量、成型效率的关系，并建立以成型质量和成型效率为目标的多目标优化模型，然后采用遗传算法对优化模型进行求解，基本实现3D打印零件分层厚度的优化选取。在上述优化设计中，对打印设备、打印模型的优化设计问题因涉及大量的数学推导和专业知识，内容多、难度大，不宜作为优化设计案例进行分析讲解。而3D打印过程中的优化设计，学生可根据实习过程中3D打印中遇到的问题，对分层厚度、成型方向等参数进行优化设计，以解决实际工程问题。

1.2 优化案例的选择

优化案例的选择设计直接决定了案例教学法成功与否。在优化设计课程中，3D打印优化设计案例选择应遵循以下原则：①可行性。即案例要结合教学目标、内容和授课对象的实际层次加以选择或设计，过于复杂的案例易让学生产生畏难情绪，过于简单则难以调动学生的积极性。②典型性。即案例设计内容过程既要涵盖优化设计需要掌握的知识点和方法，又包含学生3D打印实践中遇到的典型问题。③启发性。即选择的案例可实现举一反三、触类旁通，能够启发学生独立思考、自主探索，提高学生分析解决实际工程问题的能力。④真实性。即选择的案例均来自3D打印过程中实际遇到的问题，或者寻找学生在打印中遇到的具有代表性的案例，以此激发学生的兴趣。

2 优化设计教学中的教学改革

2.1 目前教学存在的问题

“机械优化设计”课程是以最优化理论为基础，以计算机为工具，将优化设计方法应用于机械设计中。

优化设计课程主要分为理论分析和工程实践两部分，其教学目的是使学生掌握优化设计的基本理论和方法，能够解决实际工程中的机械优化设计问题。目前，教学过程中存在理论脱离实际、教学方法落后、实践环节薄弱等问题。

为了适应创新型人才培养需求，进一步激发学生的学习兴趣，开拓学生的创新思维，增强学生的工程实践能力，本文结合以上存在问题和学生调查问卷情况，并结合3D打印案例对优化设计课程进行改革设计。学生调查问卷情况如图1所示。

图1 学生调查问卷情况

2.2 基于案例教学的改革

2.2.1 课前准备

教师课前准备充分是决定案例教学成功的第一环节。因此教师在课前需要确定优化案例，并将实际工程问题抛给学生，如何提高3D打印过程中成型质量和成型效率。学生则需要根据案例问题查阅资料，分析目前提高成型质量或成型效率尚存在的问题，初步形成解决方案，为课上小组讨论做准备。

2.2.2 课上小组讨论

根据学生课前的准备情况，教师可将解决方案类似的同学分为一个小组，然后进行案例讨论。在讨论过程中教师要注意引导和启发学生，使优化设计方案不断完善。同时，注意以下几点：①小组成员均要参与讨论，说出自己的优化设计方案；②讨论结束后小组成员代表说明本组最优设计方案思路，其他小组成员可予以补充或评价；③由于课堂时间有限，教师需要把握好讨论时间。

2.2.3 课后总结

通过课上讨论，学生对优化设计的过程及相关概念有了深入认识，此时，教师可将案例中用到的基本理论、基本方法及优化一般过程进行梳理介绍，使同学有更加清晰的认识。通过课后总结，可进一步强化优化设计相关知识点，又调动了学生学习的积极性。

3 案例教学中的评价考核

基于3D打印的案例教学强调过程管理和素质培养，因此，课程考核方式将采取相对灵活的方式：平时成绩占总成绩的60%，主要考核内容为课前作业的准备情况、课堂上小组讨论参与情况及讨论发言次数等内容。期末考试占总成绩的40%，学生可根据课程学习内容，选择3D打印实际工程问题进行完整的优化过程设计，最后研究内容以论文的形式提交。

4 总结

为了提高“机械优化设计”课程的教学质量，本文结合3D打印优化设计对案例教学法进行了探索和实践。在分析教学问题的基础上，通过课前调研、课上讨论、课后总结及考核方式等环节设计，调动了学生学习的积极性和主动性，使学生的分析问题、解决问题的工程实践能力得到增强。

［1］孙靖民，梁迎春.机械优化设计［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］闵畅，李锦，沈新明，等.FDM型3D打印机喷头优化设计［J］.2017，8（21）：10-15.

［3］徐文鹏，王伟明，李航，等.面向3D打印体积极小的拓扑优化技术［J］.计算机研究与发展，2015，52（1）：38-44.

［4］赵吉宾，刘伟军，卞宏友，等.快速成形制造中扫描方向的优化方法研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12（12）：2044-2048.

［5］梁永涛.基于点云的3D打印快速自适应分层算法研究［D］.西安：西安电子科技大学，2015.

［6］余世浩，周胜.3D打印成型方向和分层厚度的优化［J］.塑性工程学，2015，22（6）：7-10.

G434

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.069

2095－6835（2019）14－0150－02

蔡盼盼（1988—），女，江苏徐州人，硕士，研究方向为机械加工过程的数值分析与优化。

2017年华南理工大学本科教研教改项目（编号：x2jq/Y1171090）

〔编辑：张思楠〕