3D 打印技術(shù)在“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)中的應(yīng)用

陳曉斐

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

3D 打印技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代中期出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D 打印技術(shù)具有靈活、快速、高效、準(zhǔn)確、節(jié)省材料等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在制造、建筑、醫(yī)療、地理信息系統(tǒng)、航空航天、教育等領(lǐng)域[1]?！坝?jì)算機(jī)輔助制造”課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造類專業(yè)的一門核心課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助制造類軟件對零部件進(jìn)行數(shù)字模型建模，并完成工藝路徑規(guī)劃等，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，但課程的內(nèi)容相對比較抽象、復(fù)雜，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力和對零部件結(jié)構(gòu)的分析能力。在“計(jì)算機(jī)輔助制造”課程教學(xué)中引入3D 打印技術(shù)，將計(jì)算機(jī)中抽象的零部件數(shù)字模型以實(shí)物的方式展示出來，可以使學(xué)生更直觀地觀察實(shí)物模型，更有利于學(xué)生掌握零部件結(jié)構(gòu)，方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及工藝路徑規(guī)劃，也可增加課程的趣味性，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1 3D 打印技術(shù)原理與特點(diǎn)簡介

1.1 3D 打印技術(shù)工作原理

3D 打印技術(shù)又名層疊打印技術(shù)，是基于平面離散/堆積的成形方法，將零件的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，沿某一方向進(jìn)行平面“分層”離散化，然后通過3D 打印機(jī)將成形材料一層層加工堆積成樣件。常見的工藝類型有薄材疊層成形、光固化成形、熔融沉積成形、選擇性激光燒結(jié)/熔化成形、三維印刷等，主要應(yīng)用于產(chǎn)品以及零部件的快速設(shè)計(jì)及制造，其起源是快速原型技術(shù)?？焖僭图夹g(shù)包含了CAD/CAM 以及層疊制造。CAM 引導(dǎo)了CAD 的發(fā)展，而CAD 又通過曲面設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、復(fù)雜造型等輔助CAM，二者的互通合作，可以保障3D 打印技術(shù)更為合理，同時(shí)又兼具科學(xué)性和創(chuàng)新性。

三維數(shù)字模型主要是通過正向建模和反向掃描來建立的，然后按照三維模型某一座標(biāo)軸將模型進(jìn)行切片分割成，最后逐層打印堆疊生成三維實(shí)體。隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，打印方式也越來越多，常見的打印方式有貼膜技術(shù)、粉末激光燒結(jié)技術(shù)、立體光刻設(shè)備技術(shù)、噴射成型技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、氣霧打印技術(shù)、生物繪圖技術(shù)等。利用3D 打印技術(shù)可以靈活打印各種形狀的模型，打印的成品有較高的精度，也可以實(shí)現(xiàn)定制化，而且整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程周期短、效率高，從而有效地降低了研發(fā)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

目前，在教學(xué)中應(yīng)用最普遍的是FDM 和SLA 這2 種3D 打印技術(shù)。

第一種FDM 是熔融沉積成型技術(shù)的簡稱，是一種將各種熱熔性的絲狀材料（蠟、ABS 和尼龍等）加熱熔化成形的方法。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)，最后在立體空間形成立體實(shí)體。小型桌面級3D 打印機(jī)一般采用這種技術(shù)，這種設(shè)備的剛性好，運(yùn)行平穩(wěn)，使用、維護(hù)比較便捷，而且成本不高，但成型件成型精度低，而且需要設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)，適合用于制作尺寸要求不高、復(fù)雜程度不高、表面要求不高的零件。

第二種SLA 是立體光固化成型技術(shù)的簡稱，是用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。SLA 是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，發(fā)展時(shí)間最長，工藝最成熟，應(yīng)用最廣泛。SLA 技術(shù)成形速度較快，精度較高，無需切削工具與模具，可以用于加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具，還可以在原料中通過加入其他成分，用SLA 原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。但SLA 系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過高，對工作環(huán)境要求嚴(yán)格，而且成型件多為樹脂類，強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存。

1.2 3D 技術(shù)特點(diǎn)

3D 打印技術(shù)是一項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)，同時(shí)也是一項(xiàng)融合了許多技術(shù)的綜合領(lǐng)域，其特點(diǎn)如下。

多技術(shù)的融合。信息化飛速發(fā)展、數(shù)字化日益普及的今天，3D 打印技術(shù)不僅涉及CAD 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械工程、信息技術(shù)，同時(shí)也涉及材料學(xué)、化學(xué)等方面，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從二維模型轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體的一種制造方式。融合了非常多的先進(jìn)技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，其在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時(shí)，對制造業(yè)數(shù)字化的促進(jìn)作用不可小覷?？梢詫?D 打印技術(shù)看作是制造業(yè)的質(zhì)變，是多種先進(jìn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

簡化了制造過程。3D 打印技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)，不但可以獨(dú)立操作，其方便快捷的特點(diǎn)也是優(yōu)點(diǎn)之一，與此同時(shí)制造業(yè)的方法論、數(shù)字化程度也有所提高，制造業(yè)的工作模式在這些技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上變得簡單方便，管理效率也顯著提高。不同于以往的打印，3D 打印技術(shù)直接從原材料的形態(tài)開始運(yùn)作，傳統(tǒng)制造業(yè)的粗加工環(huán)節(jié)基本省略，生產(chǎn)效率提高，在環(huán)保、節(jié)能降耗等方面也產(chǎn)生了積極的影響。最重要的是，3D 打印技術(shù)以創(chuàng)新的手法和技術(shù)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，避免了流水線和大工廠工作模式的弊端，以網(wǎng)絡(luò)化模式進(jìn)一步提升了工作效率。

產(chǎn)業(yè)效益明顯。3D 打印技術(shù)綜合了多方面的技術(shù)和知識，可以應(yīng)用到醫(yī)療、航天、教育、制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，隨著3D 打印技術(shù)的不斷優(yōu)化，可應(yīng)用領(lǐng)域一定會不斷拓展，尤其是對于生產(chǎn)要求復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)節(jié)出錯(cuò)率高的行業(yè)，3D 打印技術(shù)的潛力不可估量，在不久的將來，3D 打印的產(chǎn)業(yè)效益會更加明顯，人們生活的各方面會進(jìn)一步接觸到該技術(shù)。

對規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的需求。在看到3D 打印技術(shù)的市場潛力、技術(shù)潛力的同時(shí)，也需要對其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，既然是各領(lǐng)域技術(shù)融合的綜合體現(xiàn)，也服務(wù)于各個(gè)不同的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)行業(yè)的不同設(shè)立不同的規(guī)范，例如生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、知識產(chǎn)權(quán)、存儲數(shù)據(jù)安全性等方面，都需要制定一系列的規(guī)章制度，否則會制約3D 打印技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而影響到相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和變革。

2 “計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助制造是在機(jī)械制造業(yè)中，利用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)通過各種數(shù)值控制機(jī)床和設(shè)備，自動完成離散產(chǎn)品的加工、裝配、檢測和包裝等制造過程。采用計(jì)算機(jī)輔助制造零件、部件，可改善對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和品種多變的適應(yīng)能力，提高加工速度和生產(chǎn)自動化水平，縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和批量生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率。因此，計(jì)算機(jī)輔助制造在制造產(chǎn)業(yè)中發(fā)展非常迅速，尤其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件制造中，計(jì)算機(jī)輔助制造的優(yōu)勢更加明顯。

“計(jì)算機(jī)輔助制造”所涉及的軟件學(xué)習(xí)、思維培養(yǎng)都屬于較為抽象的內(nèi)容，對學(xué)生的理論水平和實(shí)際操作能力都有著較高的要求，抽象晦澀的教學(xué)內(nèi)容很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。對于在校學(xué)生，雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)過機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)繪圖和其他機(jī)械類專業(yè)課，但學(xué)生們對零部件的認(rèn)識才剛剛開始，目前只處于識圖階段，對復(fù)雜的零部件的結(jié)構(gòu)認(rèn)知不夠深入，造成三維模型的建立能力不足，長此以往很容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生逃避的心態(tài)[2]。

目前，學(xué)校的“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)主要是通過課本知識講述基礎(chǔ)的知識系統(tǒng)，以及利用制圖、設(shè)計(jì)、加工、軟件設(shè)計(jì)、操作設(shè)備等課程內(nèi)容，讓學(xué)生的知識面得以拓寬，有效完成教學(xué)任務(wù)，因此，在“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)中，首先需要解決的問題就是如何增強(qiáng)課程的趣味性和課程對于學(xué)生的吸引力，在掌握計(jì)算機(jī)輔助制造基礎(chǔ)知識的過程中，讓學(xué)生能夠穩(wěn)扎穩(wěn)打，提高計(jì)算機(jī)輔助制造軟件應(yīng)用能力和實(shí)際操作能力，繼而提升專業(yè)水準(zhǔn)。在教學(xué)中引入3D 打印技術(shù)，將增材制造的相關(guān)內(nèi)容設(shè)置在課程中，讓學(xué)生動手參與三維模型的3D 打印制造，可以拓寬其視野，提高其認(rèn)知。

“計(jì)算機(jī)輔助制造”涉及的內(nèi)容較多，雖然多個(gè)課程的內(nèi)容學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)，但各課程內(nèi)容內(nèi)在聯(lián)系較為松散，邏輯性不強(qiáng)，學(xué)生很難將知識相互聯(lián)系起來。與此同時(shí)，各科涉及的理論知識較多，在有限的教學(xué)時(shí)間中，廣度和深度有時(shí)只能顧及前者。學(xué)生的認(rèn)知水平及知識儲備各有不同，學(xué)習(xí)能力欠佳的學(xué)生無法及時(shí)消化吸收講授的教學(xué)內(nèi)容，對于相關(guān)的專業(yè)知識仍然停留初始階段，達(dá)不到課程的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)效果不理想，尤其是學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)方面比較弱。硬件設(shè)備受限，由于受到學(xué)校辦學(xué)條件的影響，教學(xué)中所能使用到的實(shí)訓(xùn)器械往往精度較低、數(shù)量不夠、種類單一，很難滿足教學(xué)需求，無法保證每一個(gè)學(xué)生都能通過設(shè)備將設(shè)計(jì)好的三維模型做成實(shí)物，學(xué)生不能檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)成果，學(xué)習(xí)積極性自然受到打擊。教學(xué)方式單一，“計(jì)算機(jī)輔助制造”課程涉及的內(nèi)容較多，但由于設(shè)備的限制，很多內(nèi)容無法以實(shí)物展示，只能以理論講解的方式展示給學(xué)生，使得學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解困難。課程的實(shí)操主要以軟件模擬為主，實(shí)操內(nèi)容較少，既沒有利用軟件的功能，也沒有妥善處理數(shù)據(jù)程序后期，也使得課堂活躍性大大降低。

針對“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)過程中出現(xiàn)的這些問題，只有通過改變現(xiàn)有的教學(xué)方法，進(jìn)一步加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，促進(jìn)師生間的互動，提升學(xué)習(xí)條件，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識之余，使每個(gè)人都進(jìn)行實(shí)踐，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的積極性，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提升其理論水平和動手能力。而3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)，正好可以滿足“計(jì)算機(jī)輔助制造”課程教學(xué)的需要。

3 基于3D 打印技術(shù)的“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 做好知識準(zhǔn)備

將3D 打印技術(shù)引入到教學(xué)中，利用3D 打印技術(shù)將模型變?yōu)槭挛锏奶攸c(diǎn)，學(xué)生可以參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、調(diào)試、制造整個(gè)過程，對計(jì)算機(jī)輔助制造有更深入的認(rèn)識，掌握和認(rèn)識3D 打印技術(shù)。因此，在具體的教學(xué)過程中需要做到以下幾個(gè)方面：①掌握3D 打印的基本原理，認(rèn)知其應(yīng)用范圍和發(fā)展方向；②掌握當(dāng)前3D 打印的主流方式及工藝相關(guān)知識；③掌握FDM 相關(guān)知識，能夠熟練使用3D 打印軟件、操作打印機(jī)、設(shè)計(jì)模型、操作掃描儀、后期處理等內(nèi)容。

3.2 選好課程案例

好的課程案例可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的分析和解決實(shí)際問題的能力。但在教學(xué)過程中，往往是使用現(xiàn)成的案例比較多，挖掘符合學(xué)生自身情況的高質(zhì)量案例少，造成案例與崗位及學(xué)生實(shí)際的契合度不是很高[3]。因此，要針對崗位特點(diǎn)、學(xué)生學(xué)情等因素，開發(fā)出符合學(xué)生認(rèn)知、崗位需求并且具有可操作性的高質(zhì)量案例，滿足“計(jì)算機(jī)輔助制造”教學(xué)的需要。

3.3 制定教學(xué)內(nèi)容

首先，在教學(xué)開始階段，利用數(shù)字化教學(xué)工具，讓學(xué)生通過圖片、視頻、3D 打印實(shí)物對3D 打印有基本認(rèn)知，用形象的表達(dá)方式激發(fā)學(xué)生對3D 打印技術(shù)的好奇心，提高學(xué)習(xí)的熱情。

然后，講解3D 打印技術(shù)工作原理、設(shè)計(jì)思路、使用方法等相關(guān)技術(shù)。3D 打印技術(shù)涉及的各方面技術(shù)環(huán)節(jié)，教師可以進(jìn)行詳細(xì)的介紹說明，讓學(xué)生熟悉3D 打印工作原理及工作流程，便于后期開展實(shí)踐教學(xué)。

接下來，教師針對學(xué)生專業(yè)及崗位特點(diǎn)設(shè)置符合學(xué)生實(shí)際的實(shí)踐案例，教師可以對案例當(dāng)中的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和基礎(chǔ)知識的講解，利用專業(yè)軟件對建模、仿真加工等功能進(jìn)行演示，并使用3D 打印設(shè)備及其他自動化設(shè)備制造出案例中模型的樣件，使學(xué)生對計(jì)算機(jī)輔助制造有一個(gè)更清晰、全面的認(rèn)識[4]。學(xué)生根據(jù)教師講解以及演示的整個(gè)操作流程完成案例，通過這樣的教學(xué)方式，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

最后，布置任務(wù)，通過給學(xué)生分配設(shè)計(jì)題目，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)個(gè)性化工藝品、復(fù)雜的零部件等，自己搜集資料，整理出重點(diǎn)、難點(diǎn)，進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)、建模、制定工藝徑并完成實(shí)體的生產(chǎn)工作，以此來鍛煉學(xué)生的思維模式和動手能力。在此過程中，學(xué)生可以通過獨(dú)立思考和小組討論等模式，確定如何完成實(shí)踐任務(wù)。

教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實(shí)踐結(jié)果，對完成過程和作品進(jìn)行考核和總結(jié)，提出模型中存在的問題及不足之處，指導(dǎo)學(xué)生對模型文件進(jìn)行修復(fù)，并對自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和修正，重新給打印機(jī)傳輸數(shù)據(jù)、制作作品、完成作品表面打磨等，最終做出符合要求的作品。通過這一過程，不但可以讓學(xué)生提升自身的學(xué)習(xí)能力，同時(shí)可以提升了學(xué)生的動手能力，在實(shí)踐過程中學(xué)習(xí)理論知識，二者齊頭并進(jìn)，幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容。

3.4 提高學(xué)習(xí)能力

好的教學(xué)效果除了教師的講授外，也離不開學(xué)生的主動參與，由于3D 打印技術(shù)涉及很多交叉內(nèi)容，如制圖、機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件，單個(gè)學(xué)生很難全部完成，這個(gè)過程中最有效的辦法就是將學(xué)生們分成學(xué)習(xí)小組，對小組設(shè)置共同完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目。每個(gè)小組分區(qū)域、定項(xiàng)目、選隊(duì)長，由隊(duì)長帶著隊(duì)員們交流和學(xué)習(xí)，將任務(wù)按照設(shè)計(jì)、加工、協(xié)調(diào)打印設(shè)備進(jìn)行分配，不懂就問、經(jīng)常溝通，在學(xué)習(xí)中進(jìn)步。總的來說，學(xué)生與學(xué)生之間的交流與合作，是深入學(xué)習(xí)的有效方法，思維的碰撞、彼此的監(jiān)督，可以幫助團(tuán)隊(duì)做出更為豐富和多元化的作品。

3D 打印技術(shù)是一種新興的制造技術(shù)，具有靈活、快速、準(zhǔn)確、節(jié)省材料等特點(diǎn)，將這一技術(shù)引入到“計(jì)算機(jī)輔助制造”課程教學(xué)中，可以讓學(xué)生建立的模型很快變?yōu)閷?shí)物，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，綜合體驗(yàn)多個(gè)交叉課程的理論和實(shí)踐，更為準(zhǔn)確地體會三維設(shè)計(jì)和制作，并找出其中存在的問題，既培養(yǎng)了學(xué)習(xí)興趣，也加強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動性，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。