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      3D打印與機械類專業(yè)教學相融合的應用與探究

      2019-08-26 01:20:29趙婕
      山東工業(yè)技術(shù) 2019年22期
      關(guān)鍵詞:繪圖打印機課程設計

      摘 要:3D打印技術(shù)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù),是智能制造的核心內(nèi)容。本文介紹了3D打印技術(shù)在機械類專業(yè)課程教學中的應用,實物教具進入課堂教學,能夠提高學生的學習興趣,加深學生對理論知識的掌握;同時還介紹了3D打印技術(shù)在實踐教學中的應用,學生利用3D打印完成產(chǎn)品的設計與制作,培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維,對學生今后的專業(yè)技能和職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

      關(guān)鍵詞:3D打印;課程教學;實踐教學;創(chuàng)新

      DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.187

      0 引言

      上世紀九十年代,制造技術(shù)迎來了一名新成員——3D打印技術(shù)(又稱增材制造技術(shù))。它的出現(xiàn),是制造科學與技術(shù)發(fā)展的新機遇,是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù),被視為“第三次工業(yè)革命”的代表。它的發(fā)展在一定程度上反映了國家的經(jīng)濟活力,是支撐創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的利器,是“中國制造2025”的發(fā)展關(guān)鍵[1]。3D打印技術(shù)的實施,一方面能快速改變我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)面貌和發(fā)展模式,以原先制造所用的一半時間、一半成本,提升我國制造業(yè)的競爭力;另一方面能帶動設計、制造和材料三位一體發(fā)展,存進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與提升,有力推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

      高校作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要場所,應大力發(fā)展3D打印技術(shù),不斷探索和尋找該技術(shù)與不同專業(yè)的結(jié)合點。將學生所學專業(yè)與3D打印技術(shù)相結(jié)合,利用其優(yōu)越性幫學生更好地掌握專業(yè)知識,使學生在設計過程中激發(fā)創(chuàng)新思維,在實踐過程中鍛煉動手能力。

      1 3D打印技術(shù)簡介

      3D打印技術(shù),屬于快速成形技術(shù)的一種。首先通過計算機輔助設計建模軟件建模,以此模型文件作為基礎,然后通過相關(guān)軟件將模型進行“切片”處理,電腦將這些切片信息傳送到3D打印機上。3D打印機運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,根據(jù)這些數(shù)字切片噴涂一層層的薄型層面,再將薄型層面堆疊起來,最終完成一個實體模型。它的出現(xiàn)體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的緊密結(jié)合,是先進制造業(yè)的重要組成部分[2]。

      3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比較,大大縮短了生產(chǎn)時間,減少了材料的浪費,降低了生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)品的可靠性,同時可以制作相對復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,滿足個性要求等。隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展,3D打印將會引發(fā)生產(chǎn)方式和社會生活的變革。

      2 3D打印與課程教學相融合

      在傳統(tǒng)的機械類課程教學中,整個課堂教學方式單一。雖然課堂上教師采用了多媒體技術(shù)與板書結(jié)合的方式,但依然是以教師為主的一味灌輸,課堂枯燥乏味,學生很難參與并理解,教學效果不盡如人意。將3D打印技術(shù)應用到機械類的課堂教學中,學生直接面對實物模型,增強學生的認知能力,提高課程教學效果。

      2.1 與機械制圖相融合

      圖是工程師的語言,作為機械專業(yè)的學生,看圖能力和繪圖能力兩者缺一不可,那么機械制圖課程的重要性不言而喻[3]。但機械制圖課程對學生的空間想象力有很高的要求,比如兩個形體相貫后的相貫線,用平面截切立體形成的截交線,組合體的視圖等,如果想象不出來,就會使得這門課程學習起來非常困難。在機械制圖課程中融入3D打印,教師可以根據(jù)實際教學,打印出所需要的任何模型,這些模型的制作非常簡單方便且制作成本低廉,但卻能很好的為學生解答學習中的困惑。學生可以根據(jù)具體的實物圖,觀察各種線的形成進而繪制三視圖。學生在大量的三視圖與實物圖之間進行反復對照研究,找出制圖中遵循的規(guī)律,并在實踐中加深理解。

      2.2 與機械原理相融合

      機械原理課程是一門知識面較廣,實用性較強的課程,筆者在近五年的教學中,學生普遍反應本門課程學習起來較為困難,說明目前的教學模式還有待改進。在機械原理課程中融入3D打印,將大大改善原有的教學模式。例如在講解平面連桿機構(gòu)的基本知識時,可以讓學生以小組為單位,提前用3D打印機打印出長短不一的連桿。教師在上課時采用探究式和啟發(fā)式的方式來授課,學生根據(jù)自己手里的連桿拼接平面鉸鏈四桿機構(gòu),以任意長度的四個連桿進行組合,探索曲柄存在的條件,并在此基礎上進而探索以不同構(gòu)件作為機架時,鉸鏈四桿機構(gòu)的類型的變化。這樣可以調(diào)動學生在課堂學習的興趣,活躍課堂氛圍,增加學生課堂的參與感,提高教學質(zhì)量。

      3 3D打印與實踐教學相融合

      實踐教學作為課程教學的重要組成部分,是對理論教學的補充和延伸,與理論教學相輔相成。學生在實踐過程中,運用理論所學,提高自身實踐動手能力和創(chuàng)新能力[4]。我校增材制造創(chuàng)新中心(又稱“3D打印實驗室”)成立于2017年11月,配備有50臺3D打印機。該實驗室為開放型實驗室,可以滿足學生完成產(chǎn)品的設計、打印和后期處理等,使產(chǎn)品達到一定的功用。3D打印技術(shù)與實踐教學相融合,鼓勵學生參加創(chuàng)新比賽,提高學生的實踐能力和綜合設計能力。

      3.1 與三維制圖軟件相融合

      3D打印作為一種先進的制造技術(shù),吸引了不少大學生的好奇心。學生只有在計算機里繪制出產(chǎn)品的相應模型,打印機才能將模型打印成成品。這就要求學生必須熟練掌握三維繪圖軟件,如SolidWorks、Pro/Engineer、3DMAX、UG等等。雖然我校并沒有開設三維制圖軟件的相關(guān)課程,但隨著3D打印實驗室的建立,在我校學生中間掀起了一股學習三維軟件繪圖的熱潮。學生能深切地意識到繪圖能力的重要性,才能更主動地去學習,學習效率大大提高。只有掌握了三維繪圖這個基本技能,3D打印才能發(fā)揮作用。

      3.2 與課程設計相融合

      課程設計是專業(yè)課程的最后一個環(huán)節(jié),是對學生進行的一次全面的設計訓練。我校機械設計的課程設計內(nèi)容一般為機械裝置(如結(jié)構(gòu)簡單的機械、機械傳動裝置和減速器等)的設計。設計時間一般為三周,要求學生最終提交裝配圖、重要零件的設計圖和設計說明書。這種傳統(tǒng)的課程設計僅停留在紙面上,導致效果不佳。將3D打印技術(shù)與該課程設計相融合,引入三維繪圖設計的新思路。學生首先在三維繪圖軟件中進行減速器的零件的設計,然后完成減速器的裝配,在裝配過程中,觀察各個零件的配合情況以及是否發(fā)生干涉,最后利用3D打印機將所有零件打印出來并完成組裝。這樣一個完整的減速器就做出來了。這種利用3D打印技術(shù)對計算機所建的虛擬模型進行實體制造,可以大大增加學生的興趣和學習主動性。這種設計方法也可以對其他的課程設計起到借鑒作用。

      3.3 與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相融合

      為適應“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”的新浪潮,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的主力軍,激發(fā)大學生的雙創(chuàng)熱情,我校3D打印實驗室為學生的雙創(chuàng)提供了基礎設施,在很大程度上能夠促進雙創(chuàng)項目的完成。學生根據(jù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目要實現(xiàn)的功能和目標,提出自己的創(chuàng)意和想法,利用繪圖軟件設計出三維模型,再打印成成品,對打印的成品進行后續(xù)處理并進行優(yōu)化改進,最終變成能夠?qū)崿F(xiàn)某特定功能的產(chǎn)品,完成了設計到制造的一體化。讓更多的學生參與到創(chuàng)新設計中來,感受科技的魅力,讓更多的學生受益。

      3.4 與學科競賽相融合

      學科競賽是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)大學生團隊合作精神的有效途徑[5]。我校3D打印實驗室的創(chuàng)建,為學生提供了一個可自由發(fā)揮的平臺,學生參加學科競賽的積極性明顯提高。我校學生的作品“集中貨物長行程遙控避障起重機”在2018年中國大學生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽“礦源杯”第三屆全國大學生起重機創(chuàng)意大賽中獲獎,該作品中除了控制部分以外其余零部件都是學生自己設計使用3D打印機打印完成。我校學生團隊參加2018一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽——首屆工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及其增材制造技術(shù)大賽,榮獲工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及其增材制造技術(shù)大賽團體三等獎。

      4 結(jié)束語

      3D打印作為新興的先進制造技術(shù),將其技術(shù)優(yōu)勢與機械專業(yè)課程相融合,全面拓展和完善教學方法,不斷推進實踐教學,構(gòu)建理論和實踐相結(jié)合的課程體系,培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力,更進一步激發(fā)學生對機械設計的興趣,提高學習效果。今后還應不斷探索3D打印與其他專業(yè)課程的融合,讓3D打印更好地為課堂教學服務,更好地為學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)服務。

      參考文獻:

      [1]王強,姜明偉,郭書貴.中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].中國科技產(chǎn)業(yè),2018(02):52-56.

      [2]杜國光,周明全,周蓬勃,付倩.未來設計新思路探討——從傳統(tǒng)制造技術(shù)到3D打印設計新框架[C].北京:第三屆交互設計國際會議,2013.

      [3]吳曉東.淺談機械制圖在機械制造中的應用[J].中國化工貿(mào)易,2014(13):83.

      [4]江帆,張春良,王一軍.機械專業(yè)學生主動實踐能力培養(yǎng)體系構(gòu)建[J].高等工程教學研究,2016(01):187-192.

      [5]劉允,張雅芳.高校學科競賽組織管理工作研究[J].揚州大學學報(高教研究版),2010(04):31-33.

      作者簡介:趙婕(1990-),女,山西運城人,碩士,助教,研究方向:智能制造技術(shù)。

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