基于FDM技术的机械专业多元化教学

杨丽

摘 要：为了能够更好地适应应用型本科发展要求，增强学生的动手能力和创新意识，本文提出了把FDM工艺概念与机械专业教学相结合的新型模式。首先与相关课程进行结合，培养学生的兴趣爱好，其次与竞赛相结合，提高学生参加竞赛动力和获奖可能，最后和教师的授课过程相结合，增强学生对知识点的掌握和领悟。实践证明该方法能获得较好的效果。

关键词：FDM ;打印;教学 ;创新

0 引言

FDM即熔融堆积成型技术是应用较多的快速成型技术之一，因其具有后处理简单、加工过程中不使用激光，加工速度较快等优点而得到迅速发展及广泛应用。其操作安全，价格低，目前此种加工工艺设备广泛应用于大专院校实验室。如图1所示为常采用的双喷头成型设备，一个喷头用于打印模型，另一个喷头用于打印模型支撑。

FDM的基本加工过程包括：三维模型的构建（通过三维软件或者实物三维扫描）、模型的分层处理、模型的打印、模型的后置处理，是一种把模型从三维转换到二维再实现三维的一种加工技术。它可以将材料单元堆积成实体，能获得较复杂的结构。

为了增强FDM设备的利用率，培养应用型本科人才，我校将配置有FDM打印设备的3D打印实验室设置成开放实验室，让同学们能较方便地使用此种设备。但由于种种因素的限制，实际利用率仍然不高，未能充分调动起学生的积极性。面对这种现状，考虑把FDM工艺与机械专业教学的多方面进行结合，以达到高利用率和对学生实际动手能力的培养。

1 FDM与机械CAD课程的结合

机械CAD是我校在大二下学期和大三上学期开设的课程，面对的对象有工业设计、机械设计制造及其自动化、车辆工程专业方向等。讲授的软件包括pro-e与solidwprks。此两种三维软件易于上手，但是要熟练使用还需要同学在课后的训练。以往对课后的监控难以实现，只能通过最后的考核来反映平时的练习情况，较为被动。为此可从以下两个方面将FDM内容与三维软件课程相结合，一方面提高学生的兴趣，一方面达到熟练操作软件的目的。

1.1 与实验内容结合

上机类课程一般分为两部分，一部分为理论教学，另一部分为上机操作。但是在上机操作中学生也只是掌握老师所讲授的命令，想通过课程中的这点时间来熟练软件是很难办到的。对于软件类的课程，想要熟练掌握则必须花大量的时间练习，但由于学生对于课程的兴趣不大，所以课后主动学习的较少。

针对这种现象，主要任务就是解决如何培养学生对于三维绘图软件的兴趣爱好这个问题。为了激发兴趣，可以让同学们以兴趣小组的形式，将上机操作的实验搬进实验室。每次2到3组，从简单图形的绘制打印开始，让同学将自己绘制的图形进行FDM制作，并允许同学自己留存纪念。通过自己动手来体会建模的快乐和成就感，这种效果比教师的苦口婆心要强很多。

1.2 考核方式的创新

我校对于机械CAD的考核方式采用的是平时分30%，期末70%的考核方式，此种方式检验手段过于单一，只能检验学生对相关命令的掌握情况。因此，可以采用大作业的方式，将FDM所属的快速成型课程和机械CAD课程相统一，建立实训环节，用大作业的结果来评价CAD课程及快速原型课程的学习情况。在完成大作业期间，学生可以自己找素材，绘制感兴趣的模型，并打印成型。模型的复杂程度及成型件的质量放入在考核体系评价指标中。这样，一方面调动学生的主动性，另一方面也可以培养学生的兴趣。彻底改变以教室、教材为中心，填鴨式的教学方法，以培养学生的创新意识和创新能力。

2 FDM与各项大赛之间的紧密结合

学校一直提倡和鼓励同学们参加各种形式的竞赛，以赛促学。如全国大学生机械创新大赛、节能减排大赛等等。学生们的积极性和参与度也在逐年提升。但如何在竞赛中获得较好的名次，是教师和学生同时思考的问题。一个好的设计不是一蹴而就的，它需要不断的改进、实验、再改进、再实验的过程。在这个过程中需要投入一定的时间和金钱。但往往学校由于经费的限制，难以给学生充分的支持。考虑到FDM工艺在进行加工过程中不需要材料装夹、刀具安装、人工操作等特点，使得它能够较快地获得设计的成品，并可以对成品进行装配并开展实验，因此，可以基于FDM工艺来进行创新设计。具体实施方案如下所示。

（1）成立竞赛小组，小组内成员分工

（2）建立各零件的三维模型

（3）FDM制件成型，各零件组装。

（4）实验操作

（5）反复修改设计方案

（6）机加工成型

（7）准备参赛

3 FDM进行教具的制作

三维模型教具可以给学生带来更加立体的认知感受，相比于ppt中的图片更加直观，学生也更加易于接受和掌握相关教学点。但传统教具的制作成本高，更新周期长，不能得到广泛应用，阻碍了学生通过教具学习专业知识。在这种情况下，教师使用教具的频率越来越低。为了改善这种现象，特提出以下几种方法，通过教具使用增强教学效果。

3.1 教师直接打印教具

在互换性与技术测量课程中，需要向学生介绍不同配合种类的应用，介绍量规的使用等等，携带大量的量具和工件作为教具十分不方便。而FDM打印件为塑料件，重量轻，易于携带，教师可以直接利用设备打印成型。并且由于在互换性与技术测量课程中，主要零件为一些孔、轴类零件，所以建模简单，易于获得合格的产品。

3.2 让学生参与教具的打印

对于一些学生较难掌握的教学点，可以利用三维模型的建立及教具的打印来增强学生对知识点的掌握。如机械制造技术基础中金属切削刀具的几何参数，要求学生理解和掌握刀具的各切削面及切削角度，如图2所示。传统的教学方式中，这部分知识点对学生的空间想象能力要求较高，很多同学对这一部分的知识理解不了也记不牢。如果能让学生自己参与建模并打印，在绘图与打印的过程中，学生会进行思考，随后看到实物则会较容易地理解什么是前刀面、什么是后刀面，哪个是主切削刃。这种方法能够减小学习的难度，提高学习的效果。

3.3 特殊教具的打印

在机械故障诊断课程中，需要对相关故障的原因进行分析，如齿轮的磨损、刀具的积屑瘤等等，这种很难使用真实教具，即使购买了真实教具其经济性也很差。为了使学生能有更直观的了解，可以直接使用FDM打印出所需要的模型。这种模型不需要很高的精度，只要能通过外形反映出相关的知识点即可。再具体操作中，也可以把这一部分的任务放在FDM与三维绘制课程的实训中，让学生挑选相应的故障模型进行建模，以便获得更好的效果。

4 结束语

应用型和创新性是一所应用型本科院校培养学生的主要目标，如何达到这个目标也是每位教育工作者常常思考的问题。本文从三个方面进行探究，即FDM工艺与课程的结合、与竞赛的结合和教学手段的结合，通过在机械设计制造及其自动化专业实际运用，已取得了较好的效果，学生的学习兴趣增厚，参加竞赛积极，并且在竞赛中也获得了较好的成绩。

参考文献：

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[2]诸进才，胡艳娥.“逆向工程与快速成型技术应用”课程教学改革与实践[J].南方职业教育学刊.2016，6（6）：43-47.

[3]王宏卫，万熠，靳一帆.FDM 3D打印技术在机械专业教学中的应用探讨[J].现代刀具设计与应用，2017，51（8）：94-97.