3D打印技术在工程训练教学中的应用与实践

钟思，黎清宁，吕汝金，李玉寒

（桂林电子科技大学 教学实践部，广西 桂林）

工程训练是国内工科大学开设的一门基础课程，这门课的实践性很强，能够帮助学生们将理论和实际结合，增强学生的动手能力、提高学生工程素养以及创造能力。高校普遍设有工程制造中心用于全校学生的工程实践教学。目前，我国正在实现由“工业大国”跨越到“工业强国”的目标，因此培养具有工程知识、创新意识、以及工程研究改进能力的年轻人才是重中之重。但是，目前国内高校的工程训练课程内容主要是钳、铸、铣、焊接等传统制造工艺，在时代的发展中已经渐渐被新的技术取代，无法让学生学以致用。为了适应高速发展所带来的社会需求，让学生学习了解现代先进制造技术，工程训练课程应该跟上时代发展，开设具备现代先进制造技术的实训内容，比如将3D打印技术运用到实训课程中[1]。

一 3D打印技术简介

3D打印技术又被称为快速成型技术，在二十世纪末诞生，一经诞生便轰动世界。3D打印技术指依据计算机设计的三维模型，创建出物体的CAD模型或断层扫描等数据，通过材料的精确堆积，快速制造任意复杂形状三维立体物体的新型数字化成型技术。相对于传统的锻铸铣钻等减式成形制造技术，3D打印是一种原料累加制造方法。它作为一种新的现代先进制造技术，它与传统制造技术最大的不同在于以下两点：①不需要使用刀具等传统制造工具，直接通过软件就能够快速地制造三维模型。②传统工程制造工艺是去除材料法，也就是将材料多余的部分用钳、铸、铣等方法去掉，只留下有用的部分，从而制作出想要的模型，而3D打印采用的却是添加材料法，也就是将打印原料不断地进行堆叠来制造模型[2]。这项技术让设计和制造更简单灵活，而且大大的提高了制造速度和成品的精确度，同时还降低了成本以及材料的耗损和浪费。

二 工程训练中3D打印技术应用教学的模块设置

（一） 教学目标

通过3D打印的实训学习，使学生学习3D打印的成形原理、过程、特点、分类以及应用等基本知识，掌握三维建模基本操作方法，并且能够熟练使用熔融挤压成型设备。课程结束后，要求学生基本掌握3D技术的基础知识和操作流程，提高学生的动手能力和工程素养，建立现在化先进制造技术的初步认知[3]。

（二） 教学大纲

综合工程训练政策要求和学校实际情况，一共设置了八个课时来学习3D打印技术，如表1。

表1 3D打印实训教学大纲

（三） 教学硬件配备

工程训练中心3D打印实训室配备了20台3D打印机，电脑15台。另外，还添加了多媒体投影设备来保证教学质量。

（四） 师资建设

工程训练课程配备了多名专业老师，保证3D打印技术的教学顺序进行。由具备3D打印技术高深专业知识且教学经验丰富的老师领导，其他学习能力和教学能力出众的老师协作完成这方面的工程训练教学。

三 3D打印技术在工程训练中的应用与实践

（一） 基础知识学习

1.3D打印概述。课程第一步是要让学生们了解3D打印技术的基本知识和基本现状，以及学习这门课的必要性和意义。包括在学生了解3D打印技术的历史发展、应用范围、就业前景等，以及学习这门课需要具备的知识和技能和最终的目标。

2.3D打印机的基本结构。3D打印机由电子、机械和软件三部分组成。电子模块是其他两部分的连接机制，主要用来对软件生成的指令进行存储，并且控制机械模块完成这个指令。机械模块用来完成软件发出的打印命令，打印机的大部分结构都是机械模块。软件模块是3D打印机的核心，它用来对要打印的3D模型进行分层处理，分层越多、每层越薄则打印的质量和精确度越高[4]。分层结束之后会生成多个打印的定位交由机械模块完成。

3.3D打印机的工作原理。3D打印机的打印方式有很多种，比如熔融堆积技术、光固化技术、粉末烧结技术、选择性激光熔融等。本次课程采用的是熔融堆积技术（FDM），它首先在需要指定的区域喷洒一层液滴微小也极易定型的特殊胶水。然后将3D打印材料融化成粉末或者液体后通过预先设定好的位置从打印喷头挤出，当粉末碰到胶水的时候就会被迅速粘合成型，然后按照这个步骤一层层堆叠起来形成固定样式的三维模型。打印完毕后，只需要将没有碰到胶水因此依然保持分散的粉末清除就可以得到模型，被清除的粉末还能再次投入使用。

（二） 实践技能操作教学

1.3D打印机的三维建模。教学中使用基于Windows用户界面的Solidworks软件来构建三维模型。这个软件能够帮助没有任何基础的低年级学生快速入门，提高学习效率。首先教师利用多媒体设备对该软件进行基础教学，使学生掌握软件的用法。第二步是以简单模型的设计为例，开始教学生绘制三维草图并且亲自示范。绘图是工程制造技术中非常重要的基础技能。第三步是老师通过实例来讲解实体的建模方式和基本特征，这一步是学习过程中至关重要的一步，学生需要在这个过程中同时掌握理论知识和一部分实践知识。最后是实践操作，有老师指定具体模型，学生自己练习建模，以便使学生更好地掌握实体建模的技巧[5]。

2.3D打印机的操作。在正式开始尝试打印之前，首先需要学会打印机的基本操作。以免操作错误导致人身财产受到威胁。

将模型建好后转换成打印机能够识别的格式，连接软件与打印机，以便进行数据传输和打印控制。

通过软件添加建好的三维模型到打印机上，如果打印盘上出现了添加的模型则说明这一步操作成功。

对打印机进行初始化，这是为了让打印头处于坐标轴的起点，以便之后更快地给模型定位。初始化之后，打印机的其他功能就可以正常使用了。

打印前的准备过程中，可以通过软件对建立的三维模型进行旋转、缩放、自动摆放等操作，以便控制模型的大小方向等。还可以对模型的其他参数比如分层厚度、原料种类等进行设置。

上述步骤操作完成之后即开始打印，打印机自动堆叠原料完成打印。打印完成之后将模型取出，即打印成功。

（三） 创新能力实践

1.产品设计。在学习了之前的基础知识并上手实践了3D打印之后，学生还需要进行创新实践。这一阶段要求每个学生自行进行创新设计，并独立完成构思、绘图、建模、准备、打印等一系列操作，最终完成打印。且打印时间不超过三小时。在这个过程中老师会在现场进行巡视检查，并且在学生有问题时进行一定程度的指导。

2.作品的展示及考核。所有学生都完成打印之后，在教室进行统一的展示，并且由老师对作品进行评估考核。同时，老师需要对每个学生的作品进行评价，指出优缺点并给出修改建议等，帮助学生扬长避短、查漏补缺，更好掌握3D打印技术，加深对工程制造的认识。

四 工程训练中3D打印技术实训教学方法

根据工程训练教学大纲的指导，结合学生的实际情况，老师需要制定一套有别于纯理论知识教学的教学方法，帮助学生在认知阶段和实践创新阶段过程中更好地掌握3D打印的基本技术，提高学生的工程制造水平。

（一） 认知阶段

工程训练主要针对大一、大二等没有什么工程实训基础的学生，他们对3D打印技术也知之甚少，因此任课老师需要先利用多媒体等设备让学生了解3D打印技术的发展历史及其应用，特别是3D打印作为一种新兴的现代先进工程制造技术与传统制造方式的区别。两外，在实践之前还必须让学生掌握3D打印的几种主要打印方式以及他们的特点，使学生对这种技术形成初步的认知。

认知阶段还有一个重要使命就是做好实践前的准备，包括知识储备和操作流程学习。教师需要为学生讲解三维建模软件的使用，绘图及建模方式、打印机的操作流程及注意事项等，并进行一些亲身示范，帮助学生加深记忆[6]。直到学生们基本都能建立起简单的三维立体模型，才能进入到创新实践阶段。

（二） 创新实践阶段

实践阶段运用“设计制造型课程教学”模式，鼓励学生独立设计、打印三维模型。将学生分成小组，进行探讨、分析、合作来完成设计打印过程。打印结束后可以将不同小组的作品进行对比分析，由学生们自由讨论、评价、提出修改意见等。这种教学方式有别于传统教学，老师只是在适当的时候提供一些适当的帮助，其余则全由学生自由发挥。学生在这个过程中不仅体验和学习了3D打印技术，更锻炼了团队沟通合作能力、创新能力、独立思考能力、动手实践能力等[7]。且这样的教学方法可以极大地提高学生的学习兴趣，从而更加高效的进行工程训练。

五 工程训练中应用3D打印技术的意义

3D打印技术作为目前一种引起广泛关注的热门打印技术，是科技发展的必然趋势。而作为为国家和社会培养人才的高校，跟上时代科技发展的脚步、引入最新型的科技和文化是高校不可推卸的责任。在工程训练中应用3D打印技术，可以让学子们系统、深入地了解这门被应用于各种领域的技术，了解工程制造技术对于国家和社会建设的重要性。并且让学生们在这个过程中体会到科技的永恒和伟大。

同时，将3D打印应用到工程训练中，可以让很多对这门技术感兴趣却没有机会接触的学生们亲身实践和创新，为广大有创新想法和科技头脑的年轻人们提供技术帮助和设备支持。还可以提供更好地平台比如全国大学生工程制造竞赛、科技创新活动等供学生锻炼自身的能力。而这些，正是高校传承百年的使命[8]。

六 结语

工程训练课程是理工科高校学生重要的实践教学环节。目前国内国外各个高校都正在推广3D打印技术，也越来越受到教师和学生的重视。而在工程训练教学中引入3D打印技术教学模块可以让学生了解前沿先进制造技术；同时还能将3D打印实践竞赛、创新活动等相结合以丰富教学内容，提高学生学习兴趣和成就感。