3D打印自制教具助力机械制造技术课程教学改革

田国强，尹 欣，李 征，吴 凯，刘元朋

（郑州航空工业管理学院航空宇航学院，河南 郑州 450046）

0 引言

《机械制造技术》课程是机械类专业的一门重要的专业核心课程，课程内容呈现出较强的专业性和实践性，涉及的部分机械结构复杂抽象，学生理解难度较大。在教学活动中，传统的授课方式主要以多媒体课件与老师口头讲述结合为主，就会出现抽象化的知识讲述不清楚，学生难以理解，不易接受消化。

教具在教学过程中发挥着巨大的作用，利用教具可帮助学生直观地理解抽象复杂的机械专业知识，有利于提升学生空间想象能力和理解能力，从而来激发学生学习的主动性，提升实际学习效果[1-2]。但是传统教具存在结构单一、形式老旧的问题，而且生产周期长、采购成本高会造成教辅资源的不足，不利于教学活动的展开。

3D打印（又被称为增材制造）技术是近年得到快速发展和应用的热门技术，非常适用于教具等复杂结构的快速设计和制造。用其制造的教具质量轻，可以根据要求设计尺寸，且可以对教具进行设计从而体现抽象概念。本研究探讨使用3D打印技术设计制造教具，并将教具引入课堂提高教学质量与学生学习效率，助力机械制造技术课程的教学改革。

1 3D打印技术介绍

3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[3]。目前，3D打印技术主要分为以下几类：

（1）光固化3D打印。该技术是最早出现的3D打印技术，是业界广泛使用的最成熟的3D打印技术。该技术基于液态光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使液态树脂固化成型。

（2）熔融沉积快速成型。该技术是通过高温将丝状塑料材料融化，然后打印喷头将熔融材料挤出喷头冷却固化，层层累积在三维空间内形成立体实物。

（3）选择性激光烧结。该技术利用粉末材料在激光照射下高温烧结，也就是通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。该技术的优势在于，可使用材料广泛，像尼龙、铁、钛、合金、陶瓷、覆膜砂等等；再者，由于SLS技术并不完全熔化粉末，而是仅将其烧结，因此成型效率高且无须支撑。

（4）叠层实体制造。该技术是以CAD模型为参照物，在计算机控制下，利用激光技术，将供料系统提供的纸或箔材切割出轮廓线，采用热压技术将多层切割好的纸或箔材压紧粘合在一起，层层递进，最终制造出三维产品。

（5）三维印刷（3DP）。该技术通过喷头喷射粘合剂将工件的截面粘结出来并一层层堆积成型。该技术能使用的材料比较多，如石膏、塑料、陶瓷和金属等，而且还可以打印彩色零件。

（6）金属3D打印。金属3D打印工艺是一种通过数字化控制，利用激光、电子束等高能束作为能量源将金属粉末、金属丝材烧结，逐层累加，快速成型的新兴技术。

在以上3D打印技术中，熔融沉积快速成型由于工艺成本低，且成形材料为塑料，制件质量轻，因此在教具制作方面得到最广泛应用[4-5]。

2 3D打印教具设计制作方法

目前，基于3D打印的教具制作方法主要有以下两种[6-7]：

（1）正向设计+3D打印。将设计的CAD模型转换为三角面片STL模型，导入三维打印软件中，进行分层及数据处理，生成3D打印机能识别的数控指令，逐层累积打印出所设计的实体零件模型。即先设计出零件的三维模型，再将其分为逐层的截面，打印机对三维模型文件的截面信息进行读取，这些截面会被一层一层打印出来，从而制作出整个零件。

（2）逆向设计+3D打印。利用如激光扫描仪、X射线断层成像仪等测量设备，对既有目标产品外形进行数字化扫描，获取完整的三维点云数据，然后借助逆向工程软件对点云数据进行三维逆向建模，优化三维模型数据，得到精确的零件模型，再利用3D打印机制作出零件。

以上两种方法中，“逆向设计+3D打印”方法由于基于逆向工程技术直接获取实物数字模型，不受制于实物模型的结构限制，省去了复杂结构的设计造型难度，因此特别适用于具有较多复杂曲面的教具设计制作。

3 3D打印教具在《机械制造技术》课程教学中应用及优势

在机械制造技术课程内容中，涉及较多复杂结构，如在金属切削部分涉及车刀、铣刀、麻花钻、拉刀、滚齿刀等较多复杂结构刀具，在机床传动系统部分涉及摩擦片式离合器、齿形离合器、塔形齿轮等复杂零件，在机床夹具部分涉及夹具体、夹紧机构等复杂结构。这些复杂结构较为抽象，理解较为枯燥。在教学过程中，可以5-6位同学一组，利用3D打印技术针对这些复杂结构制作教具，有助于提升课程教学效果，促进学生专业能力培养，具体表现为以下三个方面：

（1）在课堂教学方面，机械制造技术的传统授课方式主要以PPT讲解和板书结合为主，但对于课程中涉及的复杂结构，PPT和板书表现不直观，学生理解起来比较抽象枯燥，不利于提高学生的学习积极性。如果使用3D打印技术针对这些复杂结构制作出教具实物，对于学生了解这些复杂结构及其涉及的专业知识就更为直观，从而提高学生的学习兴趣。

（2）在实验教学方面，机械制造技术课程会安排课内实验，但是仅仅是验证性的实验。这些实验以学生观看了解现有零件实物、设备结构、运动过程为主，不利于学生综合实践能力的提高。在引入3D打印教具制作后，学生在设计教具的过程中要首先结合教材知识和课堂讲解进一步复习已学知识，熟悉理解所设计的复杂机械结构，从而加深了学生对这些复杂机械结构的掌握程度。在制作教具的过程中学生动手操作3D打印设备，也熟悉了3D打印设备的相关工艺参数。教具制作完成后，学生观看教具，更进一步直观理解了相关的课程教学内容。这样进行的实验比验证性类型的实验整体综合性更强，将动手实践能力与理论相结合，增强了学生学习的积极主动性。

（3）在课程知识融合方面，在传统授课过程中学生仅仅学习《机械制造技术》本门课程知识。通过引入教具设计制作，学生除学习《机械制造技术》课程知识，还综合学习和应用了多门其他课程知识，如在教具设计过程中，使用到了《机械设计》《三维造型及应用》课程知识，在教具制作过程中，运用到了《先进制造技术》课程中的逆向工程、3D打印等知识。以教具设计制作为教学手段，使学生系统应用机械类专业多门课程知识，实现了融合多门课程知识综合解决工程实际问题的能力。

4 教具制作及应用案例

以立铣刀教具为对象，指导学生进行教具的设计及3D打印制作。由于立铣刀有多个刀齿，刀齿上具有复杂的曲面形状，直接造型较为困难，因此选择逆向工程方法获取已有立铣刀实物数字模型，并进行逆向设计，而后进行3D打印教具制作。

本研究选择某典型立铣刀为扫描实物对象（见图 1（a）），采用ATOS Compact Scan光学扫描仪对立铣刀进行光学扫描（见图1（b）），得到了立铣刀的三维数字模型（见图1（c））。接下来，通过逆向工程软件Geomagic DesignX进行点云数据处理、片体优化、数据处理，建立立铣刀的基面、切削平面、正交平面、后刀面等主要参考平面，并对数字模型进行尺寸放大，以方便教学展示和学生观察。设计所得的立铣刀教具数字模型如图1（d）所示。

图1 基于逆向工程方法的立铣刀教具设计

由于立铣刀切削部位的结构较为复杂，需要对其进行重点讲解，以便学生理解。为此，重点针对设计的立铣刀教具切削部位，基于熔融层积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技术，采用丝状PLA材料，通过M3145K打印机制作出教具实物。打印设备如图2（a）所示，打印所得的教具实物如图2（b）所示。在教具设计制作过程中，学生综合应用了三维光学扫描、逆向工程造型设计、3D打印等知识，并详细掌握了机械制造技术课程中立铣刀结构相关知识。教具制作完成后，教师结合教具对该部分知识进行复习，进一步加深学生对课堂知识的理解和掌握。

图2 立铣刀教具的3D打印

5 结论

针对机械制造技术课程教学内容的特点，提出3D打印技术自制教具引入机械制造技术课程的教学活动中。学生利用前期机械专业基础知识进行教具的数字化设计，并利用3D打印设备进行教具制造，构建了设计课程知识和制造课程知识一体化的教学模式，提高了学生综合应用多门课程知识的能力及实践动手能力。同时，将学生制作的教具引入机械制造技术理论课堂教学过程中，增强了教学的直观性，极大地推动了学生学习的积极性，从而在课程教学改革中起到积极的促进作用。