3D打印在機(jī)械制圖教學(xué)改革中的應(yīng)用

班 嵐 遲 歡 張 超 張 衛(wèi) 徐江燕

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院智能制造學(xué)院,天津 301830）

隨著高校教學(xué)方式的不斷更新，很多信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)被應(yīng)用到教學(xué)工作上來，成為當(dāng)前教學(xué)改革重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)的以課件為媒介的機(jī)械制圖課程主要講述機(jī)械制圖理論知識(shí)和制圖案例，講解方式比較單一，學(xué)生只能看到以圖片形式展示的零件模型，面對(duì)這種“看得見摸不著”的零件模型，學(xué)生很難想象零件的真實(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)生的實(shí)操能力得不到有效鍛煉，造成學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)熱情下滑，不利于機(jī)械制圖教學(xué)。3D打印技術(shù)主要是以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，用三維模型來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工圖紙，使用粉末狀等材料，通過快速材料堆積成型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)零件的制造。將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖教學(xué)中，可以有效地解決傳統(tǒng)的機(jī)械制圖教學(xué)中的問題，提高學(xué)生的空間思維想象能力、繪圖能力和實(shí)操能力。

1 機(jī)械制圖課程的內(nèi)容和研究

在給學(xué)生講解機(jī)械零件的制圖和設(shè)計(jì)課程時(shí)，重點(diǎn)以制圖課程為核心，讓學(xué)生在軟件上自主地繪制零件圖和裝配圖，在鍛煉學(xué)生制圖能力的同時(shí)促進(jìn)學(xué)生了解零件的機(jī)械加工制造各類知識(shí)要點(diǎn)，使學(xué)生能夠?qū)χR(shí)點(diǎn)有更深的領(lǐng)悟，通過零件圖和裝配圖來增加學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)各類知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)習(xí)機(jī)械制圖課程能夠?yàn)槿蘸髲氖聶C(jī)械類工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。機(jī)械制圖課程包含了閱讀、圖紙繪制和簡單的零部件加工等教學(xué)內(nèi)容，其主要目的是讓學(xué)生在能夠掌握一些制圖標(biāo)準(zhǔn)的前提下，具備閱讀圖紙和繪制圖紙的能力。在傳統(tǒng)教學(xué)期間，教師要求學(xué)生能夠手繪圖紙，學(xué)生在掌握一定制圖能力后再學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助制圖進(jìn)一步提升學(xué)生制圖能力。近年，隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械加工方式也在不斷創(chuàng)新，更多的新型零部件加工方法涌現(xiàn)出來，這給機(jī)械制造企業(yè)帶來更大的技術(shù)革新。機(jī)械制造是通過識(shí)圖來加工零部件，無論是使用二維圖紙，還是使用三維圖紙，都能夠完成零件的加工。使用3D模型能有效地幫助制造人員掌握零件的結(jié)構(gòu)，為后期零件加工打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)械制圖教學(xué)在機(jī)械行業(yè)中有著核心的地位，它可以培養(yǎng)具備讀圖和制圖能力的制造人才。在機(jī)械制圖學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要將各零件的點(diǎn)線面在大腦中形成立體的形象，了解零件的全部結(jié)構(gòu)。以點(diǎn)、線、面的投影特性為基礎(chǔ)，教師在課堂上以課件和多媒體教學(xué)的方式講解圖紙，學(xué)生在自主畫圖時(shí)往往存在“一聽就會(huì)，一畫就廢”的現(xiàn)象，主要原因在于，在縮減課時(shí)的現(xiàn)狀下學(xué)生很難快速培養(yǎng)出空間想象能力，教學(xué)中的零件均是以圖片的形式展示，針對(duì)這種“看不見摸不著”的教學(xué)方式，3D打印技術(shù)具備成型快、成本低和重量輕的特點(diǎn)，將課程中的模型用3D打印出實(shí)體作為教具，學(xué)生可以真實(shí)地看得見摸得著每個(gè)零件，加強(qiáng)學(xué)生的空間想象、讀圖和制圖能力。3D打印模型也避免了由于學(xué)生對(duì)這些圖紙感到過于復(fù)雜而喪失學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)中教師們通過細(xì)致的講解分析和模型展示來逐步將復(fù)雜圖形簡單化，同時(shí)在機(jī)械制圖課程中加入3D打印實(shí)操內(nèi)容，提高學(xué)生的實(shí)操能力。

在三維模型構(gòu)建前期，教師簡單介紹一些制圖的特征及圖紙繪制的基本知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生進(jìn)行平面繪圖。在機(jī)械制圖教學(xué)開展幾周之后，教師再教導(dǎo)學(xué)生如何閱讀圖紙并繪制三維模型。通過課程培訓(xùn)讓同學(xué)掌握基本的三維建模操作過程，逐步由二維圖紙繪制過渡到三維模型建立與3D打印，再由3D模型反推回來繪制二維圖紙，逐步培養(yǎng)同學(xué)的三位一體空間感。3D打印技術(shù)作為新型的制造技術(shù)，對(duì)于學(xué)生來說具有足夠的新鮮感，能為枯燥的制圖課程增添色彩，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入到3D打印室去自主打印，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。通過3D打印模型和二維圖紙的對(duì)比學(xué)習(xí)，學(xué)生反復(fù)推敲二維圖紙，們潛移默化地學(xué)習(xí)零件設(shè)計(jì)，提升了反思能力。3D打印技術(shù)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，通過使用模型來激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖學(xué)習(xí)的興趣。3D打印突破了傳統(tǒng)教學(xué)的限制，消除了傳統(tǒng)機(jī)械制造教學(xué)中復(fù)雜性和枯燥性。

2 3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)改革中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)是一種快速制造技術(shù)，建立在傳統(tǒng)零部件加工材料方式之上，3D打印技術(shù)更加節(jié)省材料，而且整個(gè)產(chǎn)品制造周期被大幅縮減。該技術(shù)主要是通過材料堆積來形成產(chǎn)品模型，該技術(shù)最初是在美國制造業(yè)中應(yīng)用。3D打印可以突破過去傳統(tǒng)制造業(yè)的限制，能在計(jì)算機(jī)中將設(shè)計(jì)師的想象充分地展現(xiàn)出來，而且該加工制造技術(shù)更加容易。與傳統(tǒng)加工制造生產(chǎn)技術(shù)相比，傳統(tǒng)加工制造工藝過于復(fù)雜，3D打印技術(shù)操作起來更為簡單。3D打印將模型實(shí)體化之后，通過計(jì)算機(jī)傳輸端口將信息傳輸給制造設(shè)備，并應(yīng)用打印方式去制造產(chǎn)品，大幅度地縮減產(chǎn)品加工制造周期，因此就被稱為快速成型制造技術(shù)。3D打印突破過去傳統(tǒng)制造中車床、制模機(jī)等設(shè)備制造產(chǎn)品的限制，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的想象和設(shè)計(jì)能力得到較大的拓展。

2.2 機(jī)械制圖的發(fā)展

近年來，隨著國內(nèi)生產(chǎn)制造技術(shù)的飛速提升，機(jī)械制圖從原始的手工繪圖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)輔助制圖，利用計(jì)算機(jī)輔助制圖模型的3D打印技術(shù)快速發(fā)展。手工繪圖繪制過程難度大、時(shí)間長、不易修改，計(jì)算機(jī)輔助制圖因其制圖難度小、制圖時(shí)間短、修改方便等優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助作為制圖的一個(gè)重要工具為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供更大便捷。計(jì)算機(jī)輔助制圖可以繪制二維圖紙和三維模型。在傳統(tǒng)的加工方式中，主要利用零件圖進(jìn)行零件加工、利用裝配圖進(jìn)行機(jī)器組裝。對(duì)于一些較為復(fù)雜的零件，繪制二維圖紙難度系數(shù)增大，在零件加工時(shí)對(duì)工程師的讀圖紙能力要求更高，針對(duì)上述問題，現(xiàn)常采用的方式是在原有二維圖紙的基礎(chǔ)上增加三維模型，二維圖紙用于加工，三維模型有利于快速了解零件的具體結(jié)構(gòu)。

隨著3D打印技術(shù)的提出，三維模型得到更好的應(yīng)用。在應(yīng)用3D打印技術(shù)加工零件的過程中，需要建立零件的三維模型，對(duì)三維模型做切片處理后輸入到3D打印設(shè)備中進(jìn)行零件打印。因3D打印具備操作簡單、危險(xiǎn)性小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械制圖過程中，建立三維模型后可以通過簡單操作3D打印出零件，極大地提高了學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性，也使機(jī)械制圖教學(xué)工作變得更加生動(dòng)有趣，不再枯燥，加大了學(xué)生對(duì)該課程的關(guān)注度[1]。

3 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用功效

3.1 提升學(xué)生對(duì)機(jī)械制造教學(xué)的興趣

在機(jī)械制圖教學(xué)中，教師們利用實(shí)物模型引起學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖課程的興趣，加深學(xué)生對(duì)圖形的理解，同時(shí)也可以激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)機(jī)械制造課程的認(rèn)知和理解。3D打印作為當(dāng)前新型的機(jī)械制造技術(shù)，被引入到機(jī)械制造圖形繪制課程中，改變了過去單一的圖形教學(xué)方式。3D打印可以使機(jī)械制造課程內(nèi)容變得更加實(shí)體化，讓學(xué)生體會(huì)到3D打印給現(xiàn)有機(jī)械制造行業(yè)帶來的革新，進(jìn)一步激發(fā)同學(xué)對(duì)機(jī)械研究的興趣。通過3D打印能夠讓學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思想理念、設(shè)計(jì)需求去逐步打印出立體圖形，將二維平面圖紙呈現(xiàn)出三維立體畫面，讓學(xué)生主動(dòng)去參與到機(jī)械制造教學(xué)學(xué)習(xí)中來，使課堂變得更加活躍有氣氛，提高了學(xué)生對(duì)制圖課程的興趣。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成圖紙繪制之后，再利用計(jì)算機(jī)的軟件將數(shù)據(jù)信息輸入到機(jī)械制造設(shè)備上，學(xué)生在實(shí)際完成3D模型建立和3D模型打印過程中會(huì)細(xì)致地研究零部件各特征和參數(shù)數(shù)據(jù)，激發(fā)了對(duì)該技術(shù)學(xué)習(xí)的熱情，也更為清楚地了解到零件的具體結(jié)構(gòu)，想進(jìn)一步對(duì)制圖知識(shí)進(jìn)行研究，從而反思目前自己設(shè)計(jì)的一些零部件圖紙出現(xiàn)的問題并改造零件。在教學(xué)中，引入一些實(shí)物模型使用3D打印出來，可以幫助學(xué)生接受更高端的機(jī)械制造技術(shù)及接觸到實(shí)際零部件模型[2]，讓學(xué)生在頭腦中對(duì)機(jī)械制造零部件形成更強(qiáng)的立體感，增強(qiáng)對(duì)各零部件的細(xì)致識(shí)別能力水平，將過去枯燥的理論課堂知識(shí)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw形象知識(shí)。學(xué)生自主3D打印模型可以讓學(xué)生親身體會(huì)到知識(shí)應(yīng)用的過程，使整個(gè)課堂教學(xué)變得更加活躍，教學(xué)質(zhì)量水平得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果和效率雙重提高的目的[3]。

3.2 提高學(xué)生的繪圖能力

3D打印可以給現(xiàn)有機(jī)械制圖教學(xué)帶來革新，改變過去的教學(xué)模式。教師通過3D打印模型的課堂展示和讓學(xué)生參與3D打印制造提高學(xué)生的繪圖能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模型常采用金屬模型或木制模型，木制模型的重量輕，更便于教師拿到課堂上展示，但木制模型只能展示結(jié)構(gòu)簡單的零件，并且模型較為粗糙；金屬模型可以展示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，但其加工困難，成本高，質(zhì)量重，不便于被拿到課堂展示。3D打印模型可以很好地解決上述問題。3D打印技術(shù)制造零部件成本較低，重量輕，可以制造各種復(fù)雜零件而且制造效率很高，3D模型更適用于被拿到教室展示。課件與3D模型的結(jié)合，使同學(xué)更容易理解授課內(nèi)容，更快地接受制圖知識(shí)，更好地提高制圖能力。通過3D打印教學(xué)，教師培養(yǎng)同學(xué)動(dòng)手操作能力，通過對(duì)應(yīng)的實(shí)物設(shè)計(jì)制造零部件，使學(xué)生在3D打印中能夠把自己設(shè)計(jì)靈感展現(xiàn)出來。3D打印可讓學(xué)生了解到各零部件的具體構(gòu)造，增強(qiáng)學(xué)生的立體空間思維能力，并因此來增強(qiáng)對(duì)機(jī)械制圖各類知識(shí)點(diǎn)的細(xì)致理解。根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容，教師要增加更多的實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生在課堂上以小組方式進(jìn)行小組模型設(shè)計(jì)、模型改造及模型制作，最終將設(shè)計(jì)好的機(jī)械圖紙應(yīng)用3D打印設(shè)備來打印出來[4]。之后，再讓學(xué)生將3D打印的零部件產(chǎn)品與圖紙進(jìn)行對(duì)比，了解最終的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖紙之間的要求是否一致，為學(xué)生提供更多認(rèn)識(shí)3D打印的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在3D打印加工中對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行細(xì)致分析，了解機(jī)械制圖要點(diǎn)，查找自己在機(jī)械制圖中存在的問題，進(jìn)而提高制圖水平。在機(jī)械制圖課程中結(jié)合3D打印技術(shù)，學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖知識(shí)有了深度的理解，能提高學(xué)生思考水平及動(dòng)手實(shí)操能力。

3.3 改進(jìn)教學(xué)方法

教師們?cè)跈C(jī)械制造教學(xué)時(shí)，使用3D打印制造技術(shù)并不是該課程的研究重點(diǎn)，而是通過應(yīng)用3D打印技術(shù)將平面圖紙轉(zhuǎn)化為可視化的實(shí)物模型，讓學(xué)生直觀學(xué)習(xí)，掌握機(jī)械制圖知識(shí)。在機(jī)械制圖教學(xué)中，3D打印技術(shù)采用體驗(yàn)式的教學(xué)方法，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主應(yīng)用打印機(jī)制造零件模型，了解機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等相關(guān)知識(shí)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的綜合技術(shù)運(yùn)用能力。3D打印可以通過打印的方式直接快速成型來形成零部件，這樣就會(huì)促使學(xué)生將機(jī)械制造理論知識(shí)與實(shí)踐相融合，從而使教學(xué)與生產(chǎn)制造相結(jié)合，提高機(jī)械知識(shí)講解的實(shí)用性。

3.4 提高學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力

在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)時(shí)，讓學(xué)生主動(dòng)參與機(jī)械圖紙的繪制，教師在課堂上為學(xué)生提供機(jī)械教學(xué)指導(dǎo)、指引，協(xié)助同學(xué)去設(shè)計(jì)出零件圖、裝配圖和3D模型，指導(dǎo)同學(xué)操作一些打印設(shè)備來打印出3D零部件，讓學(xué)生自主裝備零部件而形成一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品，以學(xué)生為課堂教學(xué)的主體，教師重點(diǎn)提升學(xué)生設(shè)備操作能力及深度地發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，提高同學(xué)學(xué)習(xí)參與性。開設(shè)更多實(shí)踐教學(xué)課程，結(jié)合教學(xué)大綱要求，設(shè)計(jì)機(jī)械制圖實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)策略，增加打印技術(shù)實(shí)踐操作課程時(shí)間，為同學(xué)提供更多實(shí)踐機(jī)會(huì)和實(shí)踐時(shí)間，增強(qiáng)學(xué)生打印技術(shù)實(shí)踐水平。

4 結(jié)語

將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制圖教學(xué)中，逐步改變了過去傳統(tǒng)的教學(xué)方式。使用新型3D打印技術(shù)打印出實(shí)物模型，逐步解決對(duì)零件圖較難理解的問題，有效改善同學(xué)對(duì)機(jī)械制圖興趣不強(qiáng)的現(xiàn)狀。3D打印在近幾年技術(shù)發(fā)展越來越成熟，學(xué)校通過利用3D打印技術(shù)來改善機(jī)械制圖教學(xué)的問題，對(duì)過去的傳統(tǒng)教學(xué)方式作出較大的變革，并且3D打印技術(shù)也在目前的教學(xué)改革中發(fā)揮了重要的作用。學(xué)校教師通過研究最新機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢、了解3D打印在機(jī)械專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀、結(jié)合打印技術(shù)特征和新課改要求來增加更多高端打印制造課程實(shí)踐課程，教導(dǎo)學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作，自主設(shè)計(jì)圖紙，在計(jì)算機(jī)軟件上設(shè)計(jì)三維圖形，將設(shè)計(jì)圖紙信息從計(jì)算機(jī)上傳輸?shù)酱蛴≈圃煸O(shè)備上，制造設(shè)備通過堆積材料來制造出機(jī)械零部件[5]。