浅谈设计实例走进三维建模与打印技术课堂——微型阿基米德泵的设计与打印

刘佳音，林杨妙，刘元

（嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314003）

由于信息化、新材料和新能源的发展，3D打印机的出现使制造变的更有创造性，教育也必须向个性化差异化转变。三维建模与打印技术是本校机械类专业的一门主要专业核心课程。其任务是通过本课程的学习和训练，使学生掌握Solidworks软件的主要设计建模功能，具备解决机械、航天航空、汽车、造船、通用机械和电子等产品建模与结构设计等方面的实际问题能力；并通过操作3D打印机等数字化制作设备，把丰富多彩的创意打印成物品。本课程设置有初识Solidworks软件、二维绘图、三维建模、3D打印四大部分，以及拉伸建模、旋转建模、扫描建模、放样建模、曲面建模、综合实训、初识3D打印、3D打印简单零件工艺设计及材料分析、3D打印制作及后处理、零件打印10个项目。

本文选取综合实训、3D打印部分进行实践教学，所用的案例是微型阿基米德泵，它是一种为旋转拖把桶等沉重的容量器皿设计的进排水组件，以方便、造价低廉为目标，设计新的进水排水结构、增加可拆卸的结构，可以让消费者根据使用场合，自主选择是否使用，以期达到更加省力、更加便利的目的。学生要根据市场调查结果，对该组件的功用、结构进行分析，确定各部分连接方式及尺寸。

1 阿基米德泵

阿基米德螺旋泵结构简单、转速低，叶片之间的空间较大，不易产生堵塞，适用于抽送含固体杂质的流体，进口流速的分布不影响泵的水力性能，对进水池要求简单，低扬程，大流量，可靠性高，辅助设备少，易于控制。

根据市场调查拖把桶尺寸数据，一般拖把桶成长方体，高（扬程）一般有H=0.25-0.3m，容积V≈0.5m3。设计时，螺旋泵安装角取α=30°最为合适，叶片数取3，当内径d=0.5D时，叶片间距S=0.8D时，阿基米德螺旋泵的效率最高。在此条件下，螺旋泵关键部件内螺杆的建议尺寸为：

取D=0.05，则d=0.025，S=0.04。取H=0.3m，则L=0.6m。

设计完成的进排水组件的结构建议有：1内螺杆，2外壳，3下端盖，4轴承，5下套筒，6排水管，7电机，8电池，9下电源组壳，10上电源组壳，11上端盖，12轴承，13下端盖，14手柄，15进水管。

三维设计要求：根据1内螺杆确定2外壳的尺寸及其他部分配合尺寸；确定2外壳与1内螺杆的连接方式；达到尽量保护轴承的要求；9下电源组壳，10上电源组壳须与选用的电池和电机的尺寸锲合；14手柄、15进水管、6排水管须根据需求拆卸。

2 课程实施

教学策略方面，采用“三六五”模式。“三”是采用平台+资源+项目三个方面，教学平台发布在线任务实时监控，及时调整策略。充分利用教材、竞赛标准、软硬件设备优化教学资源，并结合企业项目开发优质学习任务。“六”是依据行动导向教学法凝练出“析-引-策-施-评-拓”六个方面，保障教学实施效果。“五”是自评、互评、点评、真评、展评五个方面实现多元评价。

通过平台在线测试等多渠道多角度对学生进行学情分析。主要围绕学生建模理论知识和实操基础、3D打印基础知识及能力得出反馈：学生建模基本知识掌握较好；理论及实操薄弱。以内螺杆的建模为例。自主学习线上课程资源，在潜移默化中掌握知识和技能，培养学生自主学习能力。了解内螺杆的特征构成，确定内螺杆建模流程，培养学生认真观察的职业素养。通小组讨论，小组互助等形式，养成团结协作的工作作风。按组进行练习，养成团结协作的工作作风，按组独立制定方案，提升学生问题处置能力，培养学生对职业的认同和热爱。

教师活动：（1）确定分组，发布课堂互动，小组讨论；（2）引导学生找出内螺杆建模时所用到的插入螺旋线命令工具；（3）演示该命令的基本使用方法；（4）组织学生进行实操练习，练习时要求建模流程清晰。

学生活动：（1）确定分组后，讨内螺杆的建模流程；（2）参加课堂学习、互动、小组讨论，查找资料，并将讨论结果在电脑上演示；根据教师指导意见进行实操练习。师生互动：巡回指导，回答学生问题，纠正错误操作，指出常见问题，检查学生完成情况，点评打分。生生互动：选取其中一组分享汇报，其他组进行交流和互评。

3D打印制作及后处理环节。让学生初步了解项目需求，并为思考项目实施计划做准备，课上进行多次交流互动，并根据需要随时做出调整， 培养学生分析问题和解决问题的能力。以学生为主体，让学生制定项目实施计划，教师在其中充当答疑、纠错等角色。同时让学生分工并合作，培养学生团结协作的工作作风。分配总项目工作，小组讨论决策，明确组内成员完成任务所需要的时间。此阶段会收发对项目计划阶段工作的重新思考并及时做出相应的调整。小组成员坚守在各自岗位上自主工作，默契配合其他成员，与老师和其他小组进行沟通。

教师活动：（1）讲解开关机、机器的工作界面；（2）讲解并示范打印机预热、喷头移动、平台升降等手动操作方式；（3）讲解并示范装卸耗材、调平等基本操作；（4）讲解样品打印后，打印机的保养及实训室5S管理问题。

学生活动：（1）熟悉打印机的开关机操作和工作界面； （2）根据老师示范，动手操作预热、移动喷头、升降平台等手动操作；（3）根据自己喜欢的颜色，进行装卸耗材，打印机调平等操作；（4）开始打印作品，并全程控制打印过程； （5）打印后根据5S管理将物品归类、对打印机进行维护及保养等。师生互动：教师示范，学生根据标准动作进行操作，并在操作过程中思考和提问。生生互动：每组轮流分享汇报打印成果，其他组进行交流和互评。通过作品展示、小组自评、互评方式，启发学生积极思考，客观评价，纠正错误。

3 教学效果

教师将要求掌握的知识点巧妙地融合在任务中去，让学生具体地完成任务，掌握任务中蕴含的知识点，并能熟练运用这些知识点解决实际问题，以完成教学目标，充分调动了学生的学习兴趣和主观能动性，进一步提高了学生的实践技能。经过任务模块学习，课内过程性评价（自评、互评、点评）及课后达标测试，90%以上学生掌握三维建模能力85%以上同学基本掌握3D打印操作技巧和理论内容。比对知识目标、能力目标、素质目标前后对比，达到较好的教学效果。

课后鼓励学生参加全国3D创新大赛、互联网+创新创业大赛、职业院校“挑战杯”创新创业大赛等各类比赛。以赛促教，以赛促学。

校企融合开展现代学徒制教学，采用企业导师和学校老师相结合的双师队伍教学，创设企业工作情境，任务实施激发了学生的学习热情，也培养了学生高度的团队合作意识、岗位规范意识和成本意识，为后续从事三维建模岗位或3D打印技术岗位工作打下坚实的知识和方法论的基础。同时，学院3D社团成员不断扩大，3D打印服务中心业务量达上千件。

4 结语

这门课程能让学生大胆创新将自己的想法变为直观动态的模型，强化了实践教学。但是，使设计实例进入课堂时也有不足之处。Solidworks设计实例建模时，学生对尺寸不敏感，机械设计知识储备不充足，工作量大，需要较多学时予以补充。在进行3D打印操作实训时，因打印设备资源有限，且打印机精度较低，零件分别打印后难以装配。

接下来的教学中将更多采用企业真实项目，日常教学中增加渲染教学。在原行动导向、项目化教学基础上，增加交互体验；对照1+X证书试点的要求，优化课程设置和教学内容，统筹教学组织与实施，深化教学方式方法改革，提高人才培养的灵活性、适应性、针对性。