結合 3D 打印技術的高職機械綜合實訓課程改革探討

彭蓉

摘要：隨著科技水平的提高，3D打印技術的不斷成熟，當前已在各個領域得到了廣泛的應用。本文對3D打印的原理及特點優(yōu)勢進行了分析，探討3D打印在教學領域的應用，將其融入高職教學中，考慮到3D打印技術的優(yōu)勢會隨著普及率越來越高、技術不斷成熟、成本逐步下降必將在今后的高職教育領域中得到廣泛的應用。

關鍵詞：3D打??；機械綜合實訓；輔助教學；輔助設計

一、3D打印的概念和原理

3D打印又稱為增材制造，是快速成型技術的一種，有著“制造靈活”和“節(jié)約原材料”的特點，近年來，隨著3D打印技術逐步成熟、打印材料種類的增加，打印價格的降低，3D打印有了快速發(fā)展，應用領域不斷增加，不僅在機械制造、國防軍工等領域得到廣泛應用，也逐漸進入學校、家庭、醫(yī)院，在教育、生物醫(yī)療等行業(yè)也得到廣泛關注及應用，

3D打?。?D printing，又稱三維打?。┰硎鞘抢迷O計好的3D模型，通過3D打印機逐層增加塑料、粉末狀金屬等材料來制造三維產(chǎn)品的技術。一般來說，通過3D打印獲得物品需要經(jīng)歷建模、分割、打印、后期處理等四個環(huán)節(jié)，其中3D虛擬模型，可以是利用掃描設備獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，并以數(shù)字化方式生成三維模型，或者是利用UG或CAM等工程或設計軟件創(chuàng)建的3D模型，有些應用程序甚至可以使用普通的數(shù)碼照片來制作3D模型。

二、 3D打印的特點和優(yōu)勢

3D打印技術與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量、成本低、復雜制造能力好、材料利用率高，適應性好等特點，3D打印機采用選擇性激光熔煉技術，用激光將金屬粉末加熱成型，相比數(shù)控機床制造，既可以縮短制造時間，又可以提高制造精度，降低制造成本，一舉多得。 3D打印不需事先制模，也不必鑄造原型，大大縮短了產(chǎn)品的設計周期，減少了產(chǎn)品從研發(fā)到應用的時間，降低了企業(yè)因開模不當可能導致的高成本風險，使得特殊和復雜結構的模型的制作也變得簡單。另外，3D打印是增材制造，使用金屬粉或其他材料，使部件從無到有，大大減少了原材料和能源的消耗，生產(chǎn)上實行了結構優(yōu)化。

三、3D打印的應用領域及成果

3D打印近年來得到了快速發(fā)展，首先在模具加工和機械制造領域，使用3D打印可以快速地進行模具的設計與定制，打印復雜形狀的各種零件。在航空航天、國防軍工領域，3D打印應用于外形驗證、關鍵零部件的原型制造、直接產(chǎn)品制造等方面。生物醫(yī)療領域，醫(yī)學工作者利用3D打印技術打印出患者的內(nèi)臟模型及外傷性腦內(nèi)血腫顱腦模型等，用于輔助診斷并制定術前方案，降低了手術難度，減少了手術時間，為患者帶來精準化治療。2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬gun，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。

四、將3D打印融入到高職機械綜合實訓課程

3D打印技術與傳統(tǒng)普通機械加工工種可以有機地融合來進行教學，能取得更好的教學效果。機械加工技術可以說是金屬3D打印零件生產(chǎn)過程中的一個環(huán)節(jié)，很多3D打印的金屬零件需要進行機械加工來生成精密的表面，但實現(xiàn)兩種技術之間的銜接是充滿挑戰(zhàn)的。目前國內(nèi)在應用3D打印技術的時候，經(jīng)常局限在3D打印應用階段，并沒有像國際上將3D打印技術與傳統(tǒng)制造技術進行有效的銜接。以3D打印隨形冷卻模具來說，3D打印服務商通常將3D打印完好的半成品外包給機加工企業(yè)進行后期的表面精加工，而非在一條生產(chǎn)線下完成所有的制造流程，也就是說3D打印應用的發(fā)展在國內(nèi)仍然處于片段化。3D打印技術在制造復雜零部件方面的優(yōu)勢，如果在當初設計與制造3D打印零件時沒有充分考慮到后續(xù)機械加工中所面臨的困難，則可能招致零件加工失敗但如果通過大量試錯的方式來加工一款3D打印零件，肯定要承擔高昂的成本。有的零件先后需要經(jīng)過3D打印增材制造與銑削等多個制造步驟，零件從一臺加工設備移至下一臺設備時存在如何夾緊、怎樣進行移位等問題，機械加工行業(yè)的著名設備企業(yè)阿奇夏米爾是通過統(tǒng)一的卡盤和校準軟件來解決以上這類問題的。

（一）高職機械綜合實訓課程中輔助設計

高職機械綜合實訓課程中的鉗工實習、車工實習、銑工實習、數(shù)控實習等如果能借助相應的模型設計出一定的模型，借助于3D打印，學生對需要設計的模型有一個基本直觀的認識，然后經(jīng)過分組的討論、設計、修改等過程，不僅能增加學生的學習興趣，促進學生交互學習，協(xié)作學習，且能提高學生的設計水平、思維能力和實操能力。需要用專業(yè)的軟件制圖，然后再拷貝到U盤，插到3D打印機上就能進行打印。通過學習3D打印，創(chuàng)新和想像力可以得到無限發(fā)揮興趣是學習的原動力，毫無興趣的學習過程是枯燥被動消極的、只能是事倍功半。如何調(diào)動學生的學習興趣是一個永恒的教育要求，比如：在模具設計實訓中，采用項目式教學法應用3D打印，學生在親歷自己設計零件打印成型的過程及成品后，學習興趣大增，反復討論修改的過程能顯著提升學生的設計水平。在CAD課程實踐環(huán)節(jié)中，使用3D打印機，可以根據(jù)教學需要來設計教學內(nèi)容，對學生的設計作品3D打印出來進行評比。鼓勵學生打印原創(chuàng)作品，以發(fā)揮學生的專業(yè)特長，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想象力。

（二）打印三維教具學具輔助教學

當前不少學校購買了3D打印機，使用不久就出現(xiàn)這樣或那樣的問題，自己解決不了而找廠家維修又很難，而國內(nèi)的大量打印機廠商都是作坊式生產(chǎn)，質量和后期維護跟不上，造成使用效果大打折扣。3D打印技術無法應用于大量生產(chǎn)，所以有專家鼓吹3D打印是第三次工業(yè)革命似乎過早。富士康為蘋果代工生產(chǎn)iPhone已有多年。郭臺銘以3D打印制造的手機為例說明：3D打印的產(chǎn)品只能看不能用，因為這些產(chǎn)品上不能加上電子元器件，無法量產(chǎn)。3D打印還受到材料的限制，可以生產(chǎn)的產(chǎn)品也很少，“即使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，也無法量產(chǎn)，而且一摔就碎。但3D打印技術在當前階段還存在可打印原材料少、速度較慢、成本高、精度較低等問題，制約了其在各領域的進一步應用。相信在不久的將來隨著材料、高精度控制、高效制造等關鍵技術的發(fā)展，3D打印技術必將能發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

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