3D打印在工程训练中教学组织的研究

2018-05-13安芬菊李德荣俞国燕陈伯豪陈典龙

实验科学与技术 2018年2期

安芬菊，李德荣，俞国燕，陈伯豪，陈典龙

(广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088)

3D打印正在重塑全球制造业的竞争格局，被NSF认为是20世纪最伟大的制造技术革命。2012年，美国启动首个制造业创新计划——增材制造 (3D打印)；2013年，我国将3D打印技术上升到国家战略需求的地位[1]，并将该项技术的研发入选国家863计划，这为3D打印技术在我国的发展奠定了里程碑。

3D打印，实质是一种增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，采用粉末状金属或塑料等可粘合材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术[2]。主要有熔融沉积成形(FDM)、激光选区烧结(SLS)、立体光固化成形(SLA)、叠层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)、激光近净成形制造(LENS)、电子束选区熔化(EBM)、激光选区熔化(SLM)等多种工艺方式。3D打印在模具制造、工业设计、航空航天、医疗等领域应用的比较多，现在发展到采用这种技术直接打印某些零部件。另外，该技术在工程、珠宝、鞋类、教育等领域亦有应用。在2015年期间，美标公司 (American Standard)推出 “DXV”3D打印金属水龙头系列，如图1所示。荷兰阿姆斯特丹古老运河上将凌空飞跨一座由 “MX3D研究和发展”公司通过3D打印技术完成的新型钢铁大桥，如图2所示。可见3D打印技术作为一项先进制造技术，正在迅速地崛起。将这项技术应用到实践教学，尤其是引入工程训练，可以尽早将先进的技术转化为教学，对培养学生的创新能力和实践动手能力，了解掌握前沿科技，具有重要的引领作用[3－5]。

图1 水龙头

图2 新型钢铁大桥

1 3D打印实训室的硬件建设

目前，3D打印的种类很多。在不同工艺的3D打印设备中，生产批量较大的主要有熔融沉积快速成形设备(桌面型和工业级)、激光选区烧结设备(包括成型非金属材料和成型金属材料的设备)、立体光固化成形设备等。本文通过市场调研，比较设备的价格、设备所用耗材的用量与价格、设备的使用率等因素，结合各方面的因素，包括学生人数、专业特点等方面，综合考虑，进行实验室的建设。

3D打印实验室建筑面积约400 m2，由3间实训室组成，具体为3D打印操作室2间，配备了6台FDM桌面3D打印机、3台工业级熔融沉积成形设备、1台非金属材料激光选区烧结设备；多媒体机房实训室1间，配置了45台计算机，用于模型的三维设计。为了保证授课的效果，在3D打印实验室还配置了智能电视1台、多媒体投影设备1套。

2 教学案例

本次教学实例采用的设备是北京太尔时代科技有限公司生产的UP Plus 2型FDM桌面3D打印机，它集机械设计技术、计算机技术、电子技术、控制技术、传动技术为一体，其工作原理如图3所示。数据分析与控制软件为UP设备自带软件，三维CAD模型设计软件选用Solidworks软件，模型材料使用工程塑料ABS或聚乳酸PLA。

图3 FDM桌面3D打印工作原理图

2.1 3D打印实训教学设计

实训教学内容由6部分组成，即安全教育(10 min)、3D打印的概述(30 min)、示范讲解3D打印的工艺过程(20 min)、三维设计软件的使用(120 min)、创意作品设计(120 min)、分组打印作品(180 min)。

1)安全教育和视频观看。首先进行安全教育，学习各种设备安全操作规程及其他安全注意事项，将安全教育放在第一位。

2)组织学生在电视上观看自制的3D打印教学视频，内容包括3D打印的成型原理、3D打印的常见工艺方法、3D打印在衣、食、住、行、工业、航空等方面的应用情况等。看视频之前给学生强调说明视频中已经讲解的内容，老师不再重复讲解示范，提醒学生认真观看，同时告知学生、看完视频实习指导老师进行随机提问抽查，检验观看的效果。这种方法有助于培养学生发现问题的能力，保证视频观看的效果。

3)示范讲解部分以某一简单模型的设计与制作为例，如图4所示，说明3D打印从设计到制造的整个工艺过程，具体讲解内容包括:Solidworks软件绘制零件图——UP Plus 2型FDM桌面3D打印机UP分析控制软件的使用说明——桌面Plus－UP的操作要领——常见问题及处理方法。

图4 鱼骨图

通过观看教学视频和示范讲解，学生对3D打印的实习内容有了一个较全面的整体的了解。

4)三维设计软件的使用考虑到工程训练进行实习的学生多为大一、大二的学生，一般都只是接触到二维的CAD机械制图，或者是根本就没有接触过机械制图，他们对三维机械图的设计还没有概念，针对这种情况，选取底座作为示例进行三维设计软件的操作讲解，如图5所示。通过示例讲解使同学们掌握三维绘图软件的基本操作方法。另外，录制了一些视频教材，比如草图的绘制，拉伸、旋转、抽壳、包覆等20多个命令的操作视频，安装在多媒体实训室的每一台电脑上，便于同学们在绘图过程中随时查阅与学习。实习指导老师随堂指导，及时解答学生在图形设计过程中遇到的各种问题。

图5 Solidworks设计实例——底座

5)创意零件的设计。学生在基本掌握了Solidworks软件后，进入创意设计阶段，这个阶段只对学生提出设计尺寸的要求，一般整体尺寸x/y/z三个方向的尺寸要求在20～30 mm之内，零件结构的复杂性不做限制。让学生自行设计各种小零件、小饰品等，这种以任务为驱动，学生为主体、实习指导老师为辅助的教学方法能够使学生快速地掌握三维设计软件的基本操作，提高了学生自主学习的能力，培养了学生创新思维的能力。

从实习教学反馈的信息来看，这种基于任务的3D打印实习已收到较好的教学效果，深受学生的欢迎。

6)分组打印作品及作品展示。一般实训以一个自然班为单位进行，在打印阶段每个班平均分为6个小组，每个小组5～6个人，每个作品的打印时间控制在15 min左右，按一定的顺序进行3D打印。打印完成的同学对打印出的作品进行缺陷分析，及时发现不足之处，对需要修改或改进的地方继续回到多媒体实训室进行二次完善。

作品展示和讨论环节，在给学生的实习小作品评定成绩的过程中发现，每个小组的学生对自己作品的缺陷的认识总是不足，认为自己做的已经很好了，希望得到高分的成绩，往往忽视作品打印失败或出现缺陷的原因分析。因此，统一将学生的作品按工号顺序摆放在工作台面上，对每一件作品进行逐一讨论与点评，说出每一个作品的优点、缺点及其产生的原因，进行集体讨论。通过讨论，学生进一步掌握3D打印的设计与制造[6－10]。

2.2 教学效果

实训过程中，每位学生都必须完成从最初产品的设计，到打印制造出一件成品的全过程，并且，作品还可自行留作纪念。因此，学生学习的积极性非常高。同学们对打印出来的作品进行对比、讨论，查找不足，提出改进意见，对好的作品相互学习。这一过程中，学生充分发挥了创造力。精心地设计自己的作品，通过3D打印训练，激发了学生的求知欲，促进学生主动学习，培养学生的创新意识，增强了学生的团队精神和协作能力，教学效果非常好。学生的部分作品如图6所示。