工程训练开设3D打印技术实训课程的探索与实践

郭文霞 张海川

内蒙古工业大学工程训练中心 内蒙古呼和浩特 010051

工程训练是工科高校普遍开设的一门工程实践性很强的技术基础课程，是启发学生理论联系实际，培养和锻炼学生增强实践动手能力、提高工程素质、培养创新精神的重要课程[1]。学校工程训练中心承担着全校本科生的工程实践教学任务。为适应新形势的发展，让学生在工程训练中不断了解当前工业主流技术，掌握现代先进制造技术，特开设了3D打印技术实训课程。

1 3D打印技术简介

3D打印技术又称快速成型技术、增材制造技术[2]，诞生于20世纪80年代后期，指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)等数据，通过材料的精确3D堆积，快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术[3]。3D打印是一种新兴的现代先进制造技术，可以在不需要传统的刀具、夹具的情况下，通过CAD三维模型直接快速地制造模型、模具或样件，与传统制造技术的去除材料法不同，3D打印是将材料逐层堆积制造模型[4]。3D打印使设计和制造更灵活，实现了既快、又好、又省的敏捷制造[5]。目前，3D打印技术在世界范围内都是研究热点，引起了各个领域的广泛关注，在机械制造、医疗行业、建筑行业、汽车制造行业和教育等领域应用广泛。

2 3D打印技术实训课程建设现状

按教学要求，3D打印技术实训课程需要较为完备的软硬件配置，3D打印实验室建筑面积约100平方米，引进40台FDM桌面3D打印机，并配置了45台计算机，用于模型的三维设计。为了保证授课的效果，在3D打印实验室还配置了多媒体投影设备一套。

3 3D打印技术实训课程的教学目标

3D打印技术实训课程目前仅服务于我校机械类、非机械类理工科专业的本科生，3D打印技术课程教学主要目的是通过多媒体课件的讲授与实践操作相结合，使学生能够基本掌握3D打印技术，利用3D打印机独立完成自行创意设计的三维模型的加工。具体的教学内容主要分成三部分：基础知识学习、实践技能操作、教学及创新能力实践。

4 实训教学内容

4.1 基础知识学习

第一，3D打印概述。首先利用多媒体教学设备为学生讲解以下内容：开设3D打印技术课程的目的和意义，以及3D打印在全世界各领域的应用。使学生初步了解目前3D打印的应用前景。

第二，介绍教学设备及3D打印机的基本结构。教学中所使用机型为北京太尔时代的桌面3D打印机UP BOX+，机型外观如图1所示，结构如图2所示。成型工艺为熔融沉积成型技术(FDM)，打印头为单头，模块化易于更换，平台类型为多孔板打印，配套软件为UP Studio。教学中丝材选用ABS树脂材料，丝材直径1.75 mm，其稳定性好，是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。

图1 UP BOX+3D打印机外形

图2 UP BOX+3D打印机内部结构

第三，介绍3D打印机(FDM)的工作原理。FDM工作原理：3D打印时采用的堆叠薄层的形式多种多样，在教学中选用熔融沉积快速成型(FDM)。熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过一个带有微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。图3为FDM工作原理图。

图3 FDM工艺系统结构

4.2 实践技能操作教学

4.2.1 3D打印机的三维建模

教学中采用Solid works软件进行三维模型的构建，该软件的特点是完全采用Windows图形用户界面，易学易用。由于学校工程训练面向的是没有三维建模基础的大一、大二学生，所以该软件比较适合，也容易使学生快速上手。具体教学过程如下。

(1)教师利用多媒体设备介绍Solid works软件的一些基本概念及界面，目的是使学生对该软件有个大概的了解。

(2)以简单模型的设计为例，开始作示范讲解，讲授草图绘制的过程，目的是使学生能够掌握基本草图绘制的技巧。

(3)通过实例示范讲解实体的建模(其中包括一些基本特征的学习，例如拉伸特征、旋转特征、放样、扫描、镜向实体、异形孔向导等)。

(4)教师给出一些具体模型，供学生开始练习，以便使学生更好地掌握实体建模的技巧(如图4、图5所示)。

图4 教学模型1

图5 教学模型2

4.2.2 3D打印机的操作

采用3D打印机UP BOX+，操作软件为UP Studio软件，具体介绍打印机的使用过程。

(1)利用Solid works软件将模型建好后，为了方便3D 打印机能够识别，在Solid works软件中要将模型的格式转为后缀名为STL的转换数据文件，形成STL格式近似的模型文件。UP Studio 软件与打印机通过USB接口连接，并进行数据传输和控制打印过程。

(2)打开UP Studio软件，将STL格式的模型导入软件中，点击添加模型按钮，选择模型，这时载入的模型出现在打印盘上。

(3)点击打印机的初始化按钮，在初始化期间，打印头和打印平台缓慢移动，并会触碰到X，Y，Z轴的限位开关。这一步很重要，因为打印机需要找到每个轴的起点。只有在初始化之后，软件其他选项才会亮起供选择使用。

(4)想要改变模型的方向，点击软件上的“旋转”按钮。点击软件上的“缩放”按钮调整模型的尺寸大小。点击“自动摆放”功能可使模型自动摆放在平台中央。

(5)“打印预览”界面可设置模型的层厚、填充物类型及打印质量、支撑参数等，不同的设置打印出模型的效果不同。

(6)一切准备就绪，打印机开始工作，在打印机多孔板上层层堆积材料，完成模型的打印。

(7)将打印多孔板从3D打印机上取下，并用起型铲刀将模型从打印多孔板上剥离，去掉支撑，模型打印成功。

4.3 创新能力实践

4.3.1 产品设计

这一阶段，在学生熟悉掌握了画图软件之后，教师布置任务，要求每名学生根据所学的内容自行创意设计零部件。打印机每人一台，要求所打印模型的尺寸不超255 mm×205 mm×205 mm(宽×高×深)的范围，打印试件的时间不超过2小时。在打印期间教师进行现场检查指导，发现问题及时解决。

4.3.2 作品的展示及考核

作品打印好之后，摆放到机器上，指导教师将对试件进行点评并进行考核。考核计分方式为5级，包括优秀、良、中、及格、不及格。现场教师指出作品的优缺点，并给作品打分。在实训课程结束之后，每位学生手里都会拿着一个属于自己设计打印的作品，自豪感会油然而生。图6和图7为学生完成的作品图。

图6 万向节

图7 机器人

5 3D打印技术实训课程的教学效果

自从工程训练中为学生提供3D打印技术实训课程这个平台以来，以学生自主设计为主、教师辅助指导的形式深受学生的喜爱和欢迎。学生从一开始的自行创意到设计模型再到加工工件，全程参与，受益匪浅。3D打印技术实训课程的设置不仅激发了学生的求知欲，增强了学生的动手能力，同时也培养了学生的创新思维，取得了很好的教学效果。

6 结语

对理工科高校而言，工程训练课程是学生重要的实践教学环节。目前，在各个高校，3D打印技术正在不断推广，作为一种新兴的技术也越来越受到教师和学生的重视。例如每年的大学生工程训练竞赛、产品创新与快速成型大赛、大学生创新实践等都设置了3D打印环节。这些多样化的教学和实践，为学生学习后续课程、进行毕业设计乃至以后从事技术工作都发挥了重要的作用。