3D打印在机械制图教学改革中的应用

班 岚 迟 欢 张 超 张 卫 徐江燕

（北京科技大学天津学院智能制造学院,天津 301830）

随着高校教学方式的不断更新，很多信息技术、网络技术、数据技术被应用到教学工作上来，成为当前教学改革重点内容。传统的以课件为媒介的机械制图课程主要讲述机械制图理论知识和制图案例，讲解方式比较单一，学生只能看到以图片形式展示的零件模型，面对这种“看得见摸不着”的零件模型，学生很难想象零件的真实结构，学生的实操能力得不到有效锻炼，造成学生对该课程的学习热情下滑，不利于机械制图教学。3D打印技术主要是以数字化技术为基础，用三维模型来代替传统的加工图纸，使用粉末状等材料，通过快速材料堆积成型技术来实现零件的制造。将3D打印技术引入到机械制图教学中，可以有效地解决传统的机械制图教学中的问题，提高学生的空间思维想象能力、绘图能力和实操能力。

1 机械制图课程的内容和研究

在给学生讲解机械零件的制图和设计课程时，重点以制图课程为核心，让学生在软件上自主地绘制零件图和装配图，在锻炼学生制图能力的同时促进学生了解零件的机械加工制造各类知识要点，使学生能够对知识点有更深的领悟，通过零件图和装配图来增加学生对机械设计各类知识的学习兴趣。学习机械制图课程能够为日后从事机械类工作打下坚实基础。机械制图课程包含了阅读、图纸绘制和简单的零部件加工等教学内容，其主要目的是让学生在能够掌握一些制图标准的前提下，具备阅读图纸和绘制图纸的能力。在传统教学期间，教师要求学生能够手绘图纸，学生在掌握一定制图能力后再学习计算机辅助制图进一步提升学生制图能力。近年，随着我国制造业的发展，机械加工方式也在不断创新，更多的新型零部件加工方法涌现出来，这给机械制造企业带来更大的技术革新。机械制造是通过识图来加工零部件，无论是使用二维图纸，还是使用三维图纸，都能够完成零件的加工。使用3D模型能有效地帮助制造人员掌握零件的结构，为后期零件加工打下扎实的基础。机械制图教学在机械行业中有着核心的地位，它可以培养具备读图和制图能力的制造人才。在机械制图学习中，学生需要将各零件的点线面在大脑中形成立体的形象，了解零件的全部结构。以点、线、面的投影特性为基础，教师在课堂上以课件和多媒体教学的方式讲解图纸，学生在自主画图时往往存在“一听就会，一画就废”的现象，主要原因在于，在缩减课时的现状下学生很难快速培养出空间想象能力，教学中的零件均是以图片的形式展示，针对这种“看不见摸不着”的教学方式，3D打印技术具备成型快、成本低和重量轻的特点，将课程中的模型用3D打印出实体作为教具，学生可以真实地看得见摸得着每个零件，加强学生的空间想象、读图和制图能力。3D打印模型也避免了由于学生对这些图纸感到过于复杂而丧失学习兴趣。在教学中教师们通过细致的讲解分析和模型展示来逐步将复杂图形简单化，同时在机械制图课程中加入3D打印实操内容，提高学生的实操能力。

在三维模型构建前期，教师简单介绍一些制图的特征及图纸绘制的基本知识点，学生进行平面绘图。在机械制图教学开展几周之后，教师再教导学生如何阅读图纸并绘制三维模型。通过课程培训让同学掌握基本的三维建模操作过程，逐步由二维图纸绘制过渡到三维模型建立与3D打印，再由3D模型反推回来绘制二维图纸，逐步培养同学的三位一体空间感。3D打印技术作为新型的制造技术，对于学生来说具有足够的新鲜感，能为枯燥的制图课程增添色彩，引导学生进入到3D打印室去自主打印，培养学生的实际操作能力。通过3D打印模型和二维图纸的对比学习，学生反复推敲二维图纸，们潜移默化地学习零件设计，提升了反思能力。3D打印技术可以增强学生对该技术的应用能力，进一步培养学生的创造能力，通过使用模型来激发学生对机械制图学习的兴趣。3D打印突破了传统教学的限制，消除了传统机械制造教学中复杂性和枯燥性。

2 3D打印技术在机械制图教学改革中的应用现状

2.1 3D打印技术概述

3D打印技术是一种快速制造技术，建立在传统零部件加工材料方式之上，3D打印技术更加节省材料，而且整个产品制造周期被大幅缩减。该技术主要是通过材料堆积来形成产品模型，该技术最初是在美国制造业中应用。3D打印可以突破过去传统制造业的限制，能在计算机中将设计师的想象充分地展现出来，而且该加工制造技术更加容易。与传统加工制造生产技术相比，传统加工制造工艺过于复杂，3D打印技术操作起来更为简单。3D打印将模型实体化之后，通过计算机传输端口将信息传输给制造设备，并应用打印方式去制造产品，大幅度地缩减产品加工制造周期，因此就被称为快速成型制造技术。3D打印突破过去传统制造中车床、制模机等设备制造产品的限制，使产品设计师的想象和设计能力得到较大的拓展。

2.2 机械制图的发展

近年来，随着国内生产制造技术的飞速提升，机械制图从原始的手工绘图逐渐转变为计算机辅助制图，利用计算机辅助制图模型的3D打印技术快速发展。手工绘图绘制过程难度大、时间长、不易修改，计算机辅助制图因其制图难度小、制图时间短、修改方便等优势得到广泛的应用，计算机辅助作为制图的一个重要工具为产品设计提供更大便捷。计算机辅助制图可以绘制二维图纸和三维模型。在传统的加工方式中，主要利用零件图进行零件加工、利用装配图进行机器组装。对于一些较为复杂的零件，绘制二维图纸难度系数增大，在零件加工时对工程师的读图纸能力要求更高，针对上述问题，现常采用的方式是在原有二维图纸的基础上增加三维模型，二维图纸用于加工，三维模型有利于快速了解零件的具体结构。

随着3D打印技术的提出，三维模型得到更好的应用。在应用3D打印技术加工零件的过程中，需要建立零件的三维模型，对三维模型做切片处理后输入到3D打印设备中进行零件打印。因3D打印具备操作简单、危险性小和成本低等优点，学生在学习机械制图过程中，建立三维模型后可以通过简单操作3D打印出零件，极大地提高了学生的主动性和能动性，也使机械制图教学工作变得更加生动有趣，不再枯燥，加大了学生对该课程的关注度[1]。

3 3D打印技术在教学中的应用功效

3.1 提升学生对机械制造教学的兴趣

在机械制图教学中，教师们利用实物模型引起学生对机械制图课程的兴趣，加深学生对图形的理解，同时也可以激发学生的想象力、创造力，进而提高学生对机械制造课程的认知和理解。3D打印作为当前新型的机械制造技术，被引入到机械制造图形绘制课程中，改变了过去单一的图形教学方式。3D打印可以使机械制造课程内容变得更加实体化，让学生体会到3D打印给现有机械制造行业带来的革新，进一步激发同学对机械研究的兴趣。通过3D打印能够让学生根据自己的设计思想理念、设计需求去逐步打印出立体图形，将二维平面图纸呈现出三维立体画面，让学生主动去参与到机械制造教学学习中来，使课堂变得更加活跃有气氛，提高了学生对制图课程的兴趣。学生在计算机上完成图纸绘制之后，再利用计算机的软件将数据信息输入到机械制造设备上，学生在实际完成3D模型建立和3D模型打印过程中会细致地研究零部件各特征和参数数据，激发了对该技术学习的热情，也更为清楚地了解到零件的具体结构，想进一步对制图知识进行研究，从而反思目前自己设计的一些零部件图纸出现的问题并改造零件。在教学中，引入一些实物模型使用3D打印出来，可以帮助学生接受更高端的机械制造技术及接触到实际零部件模型[2]，让学生在头脑中对机械制造零部件形成更强的立体感，增强对各零部件的细致识别能力水平，将过去枯燥的理论课堂知识逐步转变为立体形象知识。学生自主3D打印模型可以让学生亲身体会到知识应用的过程，使整个课堂教学变得更加活跃，教学质量水平得到显著提升，实现教学效果和效率双重提高的目的[3]。

3.2 提高学生的绘图能力

3D打印可以给现有机械制图教学带来革新，改变过去的教学模式。教师通过3D打印模型的课堂展示和让学生参与3D打印制造提高学生的绘图能力。传统的教学模型常采用金属模型或木制模型，木制模型的重量轻，更便于教师拿到课堂上展示，但木制模型只能展示结构简单的零件，并且模型较为粗糙；金属模型可以展示复杂结构的零件，但其加工困难，成本高，质量重，不便于被拿到课堂展示。3D打印模型可以很好地解决上述问题。3D打印技术制造零部件成本较低，重量轻，可以制造各种复杂零件而且制造效率很高，3D模型更适用于被拿到教室展示。课件与3D模型的结合，使同学更容易理解授课内容，更快地接受制图知识，更好地提高制图能力。通过3D打印教学，教师培养同学动手操作能力，通过对应的实物设计制造零部件，使学生在3D打印中能够把自己设计灵感展现出来。3D打印可让学生了解到各零部件的具体构造，增强学生的立体空间思维能力，并因此来增强对机械制图各类知识点的细致理解。根据课堂教学内容，教师要增加更多的实践教学，让学生在课堂上以小组方式进行小组模型设计、模型改造及模型制作，最终将设计好的机械图纸应用3D打印设备来打印出来[4]。之后，再让学生将3D打印的零部件产品与图纸进行对比，了解最终的产品与设计图纸之间的要求是否一致，为学生提供更多认识3D打印的机会，让学生在3D打印加工中对出现的问题进行细致分析，了解机械制图要点，查找自己在机械制图中存在的问题，进而提高制图水平。在机械制图课程中结合3D打印技术，学生对机械制图知识有了深度的理解，能提高学生思考水平及动手实操能力。

3.3 改进教学方法

教师们在机械制造教学时，使用3D打印制造技术并不是该课程的研究重点，而是通过应用3D打印技术将平面图纸转化为可视化的实物模型，让学生直观学习，掌握机械制图知识。在机械制图教学中，3D打印技术采用体验式的教学方法，促使学生自主学习，自主应用打印机制造零件模型，了解机械制图、机械设计、制造技术和计算技术等相关知识，逐步培养学生的综合技术运用能力。3D打印可以通过打印的方式直接快速成型来形成零部件，这样就会促使学生将机械制造理论知识与实践相融合，从而使教学与生产制造相结合，提高机械知识讲解的实用性。

3.4 提高学生的动手和创新能力

在学习3D打印技术时，让学生主动参与机械图纸的绘制，教师在课堂上为学生提供机械教学指导、指引，协助同学去设计出零件图、装配图和3D模型，指导同学操作一些打印设备来打印出3D零部件，让学生自主装备零部件而形成一个机械产品，以学生为课堂教学的主体，教师重点提升学生设备操作能力及深度地发现问题、处理问题，提高同学学习参与性。开设更多实践教学课程，结合教学大纲要求，设计机械制图实践教学计划，优化设计实践教学策略，增加打印技术实践操作课程时间，为同学提供更多实践机会和实践时间，增强学生打印技术实践水平。

4 结语

将3D打印技术应用到机械制图教学中，逐步改变了过去传统的教学方式。使用新型3D打印技术打印出实物模型，逐步解决对零件图较难理解的问题，有效改善同学对机械制图兴趣不强的现状。3D打印在近几年技术发展越来越成熟，学校通过利用3D打印技术来改善机械制图教学的问题，对过去的传统教学方式作出较大的变革，并且3D打印技术也在目前的教学改革中发挥了重要的作用。学校教师通过研究最新机械设计技术发展趋势、了解3D打印在机械专业教学的应用现状、结合打印技术特征和新课改要求来增加更多高端打印制造课程实践课程，教导学生去实验室动手操作，自主设计图纸，在计算机软件上设计三维图形，将设计图纸信息从计算机上传输到打印制造设备上，制造设备通过堆积材料来制造出机械零部件[5]。