3D打印技术在课堂中的应用

乔堃

摘要 3D打印技术的应用使得机械行业开始发生了转型，对于正处于学习阶段的高职机械专业的学生而言，需要进行教育教学内容的改革，引进3D打印技术可以更好的以市场和技能作为学习导向，开阔学生的眼界，丰富学生机械知识结构，让学生在拥有基础理论的同时还掌握了其应用技能，为学生的未来发展提供了方向。

【关键词】3D打印 三维数据 Rhino软件 CAD软件

就目前而言3D打印技术有着及其广阔的未来发展前景，这也为高職院校提供了改革的方向，本文主要是从3D打印技术的基础知识进行延伸，参考机械类课程的设计要求将其融入到教学当中，为教学改革提出了一些参考性建议。

1 3D打印技术

1.1 3D打印技术

3D打印技术是采用了增材快速成型的系统，这种系统可以进行模型的构建通过切片软件的使用，将整个实体的三维打印出来，对于机械专业的学生来说，就是一种很好的将课本中所表达的二维信息转化为可以直观感受的三维立体图形，从而达到教学效果，这种个性化的教学方式的引进可以帮助学生在体验式教学当中增加学习兴趣，开拓学生的创造思维，极大地调动了对机械知识学习的热情。

3D打印技术通过三维数据，结合材料并逐层进行产品的制作，就目前而言这种技术是打破了常规设计和制造方式，无需要模具就可以进行复杂结构的设计，这是传统技术所不能完成的，3D打印技术提高了材料的利用率，这不仅是成本的节省，而且缩短了制作的周期，其精准的设计效果可以应用到诸多领域。对技术强度要求较高的高职机械专业的学生来说，将3D打印技术引入到课堂，可以改变学生对于机械领域的认知观念，这对于他们在技术研发甚至是技术突破上有重要的引导作用，促进3D打印技术在我国的发展。

1.2 3D打印技术的原理

3D打印技术是通过计算机进行三维模型的设计，并将其按照同样规格进行切片处理，从而转变为二维图形，之后进行逐层加工使得叠层越来越高。通过CAD软件或是其他同类型软件进行设计，采用逆向工程的思维方式进行数字模型的构建，由于其技术的先进性再搭配上多种的辅助技术，扩大了这种3D打印技术的应用领域。

打印过程中会采用多种成型原理进行，较为主流的有熔积沉积法即在电脑的控制下打印机会根据加热的喷头对热塑性材料进行轮廓截面的绘制，沿着X轴、Y轴和Z轴的运动方向，随着在高度Z轴的不断叠加，打印出最后的成品，由这类方式在后期的处理难度较大，一般适用于功能性要求较强的物件制作;激光选区烧结法是采用强度较高的激光线对粉末状耗材进行照射烧结，这种工艺制作出的成品疏松多孔，属用于塑料金属类的零器件加工;光固化程序法是利用紫外光的照射让液态耗材发生聚合反应，迅速增大的分子凝固成型，这种方式所成型的零件的质量和品质较高，不会对环境造成污染，但光固化这类的树脂会含有一定的毒性，在使用时需要格外的慎重。

2 3D打印技术在课堂中的应用

2.1 3D打印技术在教学内容的应用

在机械教学内容中会有很多学生难以想象到截断图形的完整立体构图（图1），这就造成了空间想象力不足的学生所构想的图形与实际相差很大，在上平面截切课程的时候，采用3D打印技术可以有效地将其原理变化过程展示出来，直观的让学生看到截交面（图2）发生的变化，还有些复杂的图形的构建是融合了多个基础图形，例如一个圆柱体在与圆锥形在融合后的相贯体的模型结构及其相贯线的样子学生没有办法直接想象出来，这就可以利用3D打印技术将组合过后的图形进行视图的对比，而这个过程都是学生可以自己参与到的，这整个实践的过程也就是学生对于自身的能力锻炼。

2.2 教学方式的应用

对于机械类的学生需要掌握专用的CAD/CAM的应用技术，为此教师可以让学生自行分组，并安排好每个人员在整个图形的设计、装配中的角色并填写于实验表中，这里是以三维模型为例，一般来说小组人数控制到3-4名就可以，这样便于每一位同学都可以参与到设计绘制的过程当中避免有些学生只是在一旁的观望，首现需要学生在头脑中进行左边的联想，将抽象的概念通过某些词的形容记录在本上，便于将图形的关键点在之后的设计当中展示出来，如图3为某小组同学利用Rhino软件设计的一个具有收纳效果的装置的立体造型。

这个装置是采用了三个基本的零件组装的，学生在整个设计当中融合了多种元素，这种具有创造力的构想就是小组成员间合力的结构，就设计本身而言需要一定的新意，这样不仅是在发散学生的思维还有助于学生对于图形结构的了解，采用简单基础的零件绘制出一个完整具有功能作用的装置，是一种质的变化，学生在实践自己设计效果的过程就是一种能力的提高，采用小组的方式增加了学生间的沟通，这种互助的方式弥补了单人完成的不足，在掌握常用Rhino软件的情况下，发挥了学生在设计方面的潜能。

学生在动手的过程中激发了学习的兴趣，教师对于学生的作品要求可以放宽时间限制，这样学生可以不断地完善自己的设计成功，以达到最佳状态，这也是一种不断磨合的过程。

在使用Rhino软件将设计好的作品模型进行格式的转化，成为STL格式，这样主要便于导入到3D打印设备当中。借助UP型设备主要操作流程为将设备进行初始化的设置，挤出适量的ABS料丝，在打印过程中可以先进行预览，方便对于某些数据的设置，使得成型的作品具有精确性，当所有的准备工作都进行完毕后并检查无遗漏下就可以直接打印。

就实际而言将3D技术的引入可以帮助教师的项目课题的实现，尤其是对于这种动手能力要求较高的课题就可以采用分组的形式，让学生在沟通当中不断地完善产品的设计和制作，锻炼学生的团队合作能力，这也是一种互补的方式，有些学生设计比较好但是欠缺动手能力，有些学生有很强的表达能力但是动手能力欠缺，为此这样的组合就可以有效地提高了成品的成型率，在完成作品以后可以进行作品的演示，由同学讲解他们的创作思路和设计亮点，以此来增加学生的自信心。

就目前而言我国高职院校都开展了各类教育教学改革，作为第二课堂的实践课程也属于改革的内容，将这种3D打印技术引入到学校的社团或者是科研小组当中，让学生自行组织进行学术的探讨和科技的研发，这样丰富了学生的业余生活的同时还可以作为教辅材料。这就需要有专业的指导教师进行项目指导，帮助社团或者是兴趣小组进行方向的确立或者是技术的指导，让学生更好的实践课堂内容，以此来提高学生的动手能力和想象力。

3 结束语

3D打印技术的应用，有助于营造全真模拟的效果，可以将较为复杂的立体图形展示出来，让学生直观地看到立体图形，通过立体三维的构建来弥补上课二维信息的不足，便于学生理解。让3D打印技术作为一种媒介进入到教学领域会增加学生的动手能力，发挥了学生在设计方面的潜能，学生乐于参与到其中，感受到学习的乐趣，便于知识的掌握。同时也节约教学成本，有广阔的发展前景。

参考文献

[1]王智昊.3D打印技术在机械自动化领域的应用[J].电子技术与软件工程，2018（ 01）：105.

[2]赵海明.3D打印设计与个性化制造技术[D].浙江大学，2017.

[3]夏端武，薛小凤.3d打印技术对机械制造业产生的影响[J].机械设计与制造，2016 （12）：184-186.

[4]阴璇.基于3D打印技术的机械零件创新自由设计[D].太原科技大学，2016.

[5]李公昕.3D打印技术的发展及应用[J].电子技术与软件工程，2017 （14）：71.

[6]徐若帆.3D打印技术在电子信息领域的应用[J].电子技术与软件工程，2018（01）：62.