3D打印技术在大学生机械创新设计大赛中的应用

谢立娟 韩百强 梁鹏霄 张栋梁

（河北农业大学，河北 保定 071001）

3D打印技术在大学生机械创新设计大赛中的应用

谢立娟 韩百强 梁鹏霄 张栋梁

（河北农业大学，河北 保定 071001）

与传统的工业相比，3D打印技术具有快速成型、生产率高、成本低的优势。将3D打印应用于全国大学生机械创新设计大赛中，不但能提高制作作品的效率，降低机械工具带来的伤害，减少成本，使结构复杂的作品变得简单化，而且能拓展学生思维，提升学生对制图软件的学习效果，提高大学生科技创新能力。基于此，阐述全国大学生机械创新设计大赛与3D打印技术的概念，探究3D打印技术在大赛中的应用现状及优势，分析3D打印技术给大赛带来的挑战及思考。

机械创新设计大赛；3D打印技术；优势；挑战

3D打印是近年来逐渐兴起的热门领域，在国内外以星火燎原之势迅速发展［1］。目前，国内外许多学校将3D打印与课程相结合，呈现出一种新的教学方式，推动教学创新。学校建立3D打印实验室为学生提供实践平台。但3D打印在大学生创新比赛中应用较少。在第七届全国大学生机械创新设计大赛河北赛区预赛中，有部分参赛作品使用了3D打印技术。这些作品是学生亲自绘图并打印出来的，作品得到了评委老师的表扬。3D打印技术，也被称为“增材制造技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术［2］。3D打印技术无需任何机械加工，也不需要使用任何模具，就能直接把学生绘制的零件图或装配图打印成三维立体模型，能够保证作品的精度和光滑度，而且周期短。全国大学生机械创新设计大赛在下来通知到预赛，仅仅几个月时间，学生除了学习，要利用业余时间发散思维想创意，还要制作模型、PPT、说明书、视频等，时间紧，任务重。而使用3D打印大大缩短了学生制作模型的时间，不用去工厂加工，降低了伤害。因此，将3D打印技术应用到全国大学生机械创新设计大赛中具有重要意义。

1 全国大学生机械创新设计大赛与3D打印技术概述

1.1 全国大学生机械创新设计大赛

全国大学生机械创新设计大赛是经教育部高等教育司批准，面向大学生的群众性科技活动。正如教育部周济部长所指出的，机械很重要，没有机械就无所谓工业；创新很重要，没有创新就没有发展；设计很重要，设计决定着产品的成本、功能和使用寿命［3］。大赛两年一届，每届都有独特的主题。其目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生创新设计和综合设计能力与协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作能力，吸引、鼓励学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。

1.2 3D打印技术与传统加工方法

3D打印技术是一种不同于传统材料加工，在三维CAD模型数据的基础上，经添加材料进行制造的技术方式。3D打印技术主要采取的制造方法有直接制造和三维物理实体模型制造。事实上，3D打印技术集成了各种不同的技术，基于多个不同的物理机制，将共同的特征通过一个数字模型来构建三维物理实体，这个成型实际是一个层叠堆积的过程。然而，传统加工方法通常采用切削加工方法来实现，切削加工方法是一种减材工艺方法。

1.3 3D打印技术在大赛中的应用现状

近几年，3D打印技术出现在高校、高中甚至小学等教学中。学校设立创客空间等类似的实验室，对学生开放，让学生自由发挥创造作品，以此来提高创新思维。但大部分仅仅限于实验作品制作，在大学生创新比赛中应用甚少。在第七届全国机械创新设计大赛中出现了3D打印的作品，作品获得了评委老师的好评。

2 3D打印技术应用于全国大学生创新设计大赛中的优势

2.1 高制作效率，成本低

制作同一作品，使用传统的加工方法从作品设计到加工制作需要较长的时间。对于学生参加比赛来说，准备时间比较紧张。然而，3D打印技术集设计、打印于一体，只要设计好图纸，其他的事情就完全可以交给3D打印机，实现了半自动化。同时，只需要原材料即可，费用低。

2.2 降低伤害

切削加工会产生许多危害。如设备工作时高速运动的部件、飞出的切屑、设备因高速转动或摩擦产生的高温、工作时的噪声等，这些对人类具有潜在的危险。学生自己操作不熟练，更是加大了受伤危险。3D打印技术则截然不同，学生只需要1台电脑和3D打印机，动动鼠标，按按按钮就可以完成加工。

2.3 使制造结构复杂的作品简单化

传统加工方法能够加工出简单的平面、直线、圆周等，对于加工复杂的结构形状简直是异想天开。但对于3D打印技术而言，打印结构、形状复杂的作品，仅仅依靠的是几何数据的输入。在比赛时，学生不再只是使用传统的机构零件简单组装，而是学生自己创造的，有着特定的几何关系，这些是传统加工方法不能达到的，而3D打印技术就可以将其变成现实。

2.4 使学生学习制图软件并提高创新能力

学生使用制图软件，不仅可以学习二维、三维等绘图功能，还可以学习装配、仿真等功能。学以致用，将技能应用到实践中。学生在绘制的过程中，可以发散思维，创新结构，不在局限于现有的机构零件，可按自己的想法设计创造出新的实用的机构零件。

3 3D打印技术在大赛中的应用思考

3D打印技术是一项新技术，预言将引起全球第三次工业革命，将其应用到教育领域是一次重大改革。对于教学、实践活动、比赛，既是一种机遇，也是一种挑战。3D打印技术带来了以下挑战：①人们使用“耗材”就可以设计加工作品，可能会忽略传统加工方法，失去动手实践的机会，这就失去了大赛加强学生动手能力培养和工程实践训练的目的；②3D打印技术目前使用的“耗材”种类有限，学生有新想法却难以实现；③3D打印技术是一项新技术，宣传力度不够，不够普及；④3D打印机价格昂贵。

面对这些挑战，作为学生和学校应该充分做好准备：①思想方面，3D打印技术是一项新技术，学校专业老师较少，这就需要调动学生的学习主动性，从思想上剔除依赖心理；②知识方面，学习绘图软件，学习三维建模、装配、仿真等功能，让自己在学生阶段真正掌握一门技术，为以后工作做准备；③行动方面，学校应对学生创新活动给予大力支持和鼓励，在基础设备和资金方面等给予支持，积极引导学生参加创新比赛，培养学生创新意识。

［1］周济.中国机械工程教育现状和未来发展方略［J］.高等工程教育研究，2006（3）：47-52.

［2］童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究［J］.现代教育技术，2013（12）：16-19.

［3］尚雯，谭跃刚，张帆，等.面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用［J］.中国轻工教育，2016（3）：73-76.

Application of 3D Printing Technology in the Mechanical Innovation Competition of University Students

Xie Lijuan Han Baiqiang Liang Pengxiao Zhang Dongliang
（Agricultural University of Hebei Province，Baoding Hebei 071001）

Compared with the traditional industry,3D printing technology has the advantages of rapid prototyping, high productivity and low costs.The application of 3D printing in the national college student mechanical innovation design competition,can not only improve the efficiency of works,reduce the harm caused by mechanical tools,cut costs,make the structure of complex products more simple,but also can develop the students'thinking,enhance the level of students'learning of graphics software,improve the students'ability of technical innovation.Based on this, the concept of national undergraduates mechanical innovation design competition and 3D printing technology were described,the application status and advantages of 3D printing technology in competition were explored,the challeng⁃es and thinking of 3D printing technology to the competition were analyzed.

mechanical innovation design competition；3D printing technology；advantages；challenge

TP399；TH122

A

1003-5168(2016)09-0038-02

2016-08-22

谢立娟（1993-），女，本科，研究方向：3D打印技术。