3D打印技术在“机械原理”课程实践教学中的应用*

刘邦雄，吴靖雯，赖伟洪

（景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333000）

“机械原理”作为机械设计制造及其自动化专业的一门专业核心课程，与其他专业基础课有着非常大的联系，需要学生打好良好的基础，在培养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结构中占有十分重要的地位[1-3]。近年来，3D打印机技术的发展呈现出不断深化、不断扩大应用的态势[4-7]。学生通过计算机辅助软件设计模型，借助3D打印技术制成实物模型，能激发学生对“机械原理”课程的兴趣，提高学生的设计能力，并且能使其更好地掌握课程内容，为本专业的其他课程学习奠定理论基础[8]。

1 3D打印技术

1.1 3D打印技术的概述

3D打印技术又称为三维增材打印技术，是快速成型的一种工艺，将液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过一层一层材料堆积的方式分层制作出三维模型。与传统的打印机运行过程类似，只是传统打印机使用的是真正的墨水，打印出的是平面二维图，3D打印机是用实体材料打印成3D的实体模型。3D打印机区别于传统材料制造技术在于它具有仿真性强、成型快、价格便宜、应用性高等优点。

1.2 3D打印机的加工过程

3D打印可以分成以下三个主要步骤。

1）3D建模。在建模过程中有两种方法获取3D模型，第一种方法是学生按照想要打印模型的尺寸和参数在计算机辅助设计软件中进行建模，然后在3D打印机中打印出实体模型；第二种方法是学生用3D扫描仪对想要建模的对象进行外形和结构的扫描，得出模型后在3D打印机中打印出实体模型。

2）分层材料堆积。目前3D打印的主要工艺有五种，第一种工艺是熔融沉积建模（FDM），让塑料丝在喷嘴处加热至半液态后，再一层一层地挤在平台上在室温下固化形成模型。第二种工艺是选择性激光烧结或熔化（SLS、SLM），将黏合材料的特殊胶水适量喷洒涂抹在材料成型的区域，然后再将所需的塑胶粉末或石膏粉末均匀喷洒在区域内。粉末和胶水之间会产生反应迅速固化黏结。第三种工艺是立体光刻（SLA），将3D建模导入3D打印的分层处理软件，利用UV激光器或光投射器连续跟踪物体的每个切片层，将光敏树脂层固化成硬化塑料，直到形成最终3D模型。第四种工艺是直接能量沉积，将原料熔化再和熔化的材料沉积融合在一起后固化。第五种工艺是分层实体制造（LOM），使用机械切割机或者激光切割材料再黏合在一起。

3）实体模型处理。对打印出来的3D模型进行打磨、修补、抛光等工艺处理。

2 机械原理课程教学现状

“机械原理”一直是一门较为晦涩难懂的专业课，以机器和机构为研究对象，它涉及机械的运动学和动力学分析，不仅对培养学生的工程素质和综合能力具有重要的教学作用，而且在整个机械类创新型人才培养中占有重要的地位。在专业教学体系中，“机械原理”课程具有承上启下的作用，是学生对后续课程学习以及接触新的机械知识的基本，学生想要对机械设计机械制造有更深层次的了解，必须打好“机械原理”这门课的基础。教师必须重视这门课的教学过程以及结果，需要引导学生自主学习，培养学生的实践能力。

中国目前的工业发展呈现“喷井式”的状态，愈来愈多新型技术和理论知识出现。传统教学模式与方法仅单纯灌输式教学，传授给学生生硬枯燥的理论知识，缺少了和实践的结合，难以确保学生是否能够掌握教学内容，无法保证学习效果。因此，教师也需要不断汲取新的知识，对课程教学进行创新，激发学生的学习动机和学习热情，指导学生新的学习方法，教师将从知识的传授者转变为学生学习的引导者和学生发展的促进者。

3 3D打印技术在“机械原理”课程教学中应用的意义

由于“机械原理”这门课程的内容涉及十分复杂的机械机构，刚接触该学科的学生没有接触过实体的机械机构或者机械零件，如果仅仅只是依靠教材中的习题、结构简图学习这门课程，有较大的学习难度，会降低学生的学习积极性，甚至对本课程产生抵触情绪。利用3D打印技术可以使教材中抽象难懂的机械结构实体化，形象生动。因此，将3D打印技术与“机械原理”课程教学相结合是非常有必要的。3D打印技术在课程教学中的应用有以下优点。

1）将课程内容实体化，降低了学生学习难度。学生可以应用计算机辅助设计软件，通过自己动手设计图纸，建立三维模型，将复杂的机械原理、机械机构通过实践了解得更加透彻。用3D打印机将三维机械模型“从无到有”的制造出来，获得了成就感，同时增加了学生的学习兴趣；提高了学生的实践动手能力和对机械原理理论知识的理解，大大减少了学习难度。

2）提高了学生的综合能力。在学生运用3D打印技术制造机械三维模型时，需要掌握机构的结构和机构的运动以及掌握计算机辅助设计软件的运用，通过结合位移分析、力学分析在软件中建立模型，最后进行3D打印并记录实验数据。整个过程让学生直观了解零件的形状、内部结构、设计计算；机构的运动过程、理论原理，同时还能基本运用计算机辅助设计软件，将所学的知识融会贯通。这对学生的工程能力和综合能力的提高有着明显的效果。

3）增加了师生之间的沟通。传统课程教学中教师通常将教材中的内容传授给学生，学生人数多，知识水平参差不齐，掌握的程度也不同，教师难以进行针对性的教学。将3D打印实践与教学结合在一起，教师可以将掌握程度不同的学生分组，实行知识掌握良好的同学帮助知识掌握不够扎实的同学的小组实验。每次实验过程进行小组记录，教师将对每组的实践过程实施相应问题的答疑解惑，通过学生之间的沟通和反馈，教师不仅可以清晰了解到每个同学的情况还能增加师生之间的沟通，构建良好的师生关系和高效率的课堂教学。

4 3D打印技术在课程教学中的具体应用

“机械原理”课程中，四杆机构占有较为重要的一部分，是学习机构需要掌握的关键内容。学生在学习过程中只能从课本和教具来理解四杆机构运作方式，无法很好地掌握四杆机构的设计。教师可以通过让学生对四杆机构进行运动分析、结构设计、3D建模，再通过3D打印机打印出直观的教具，方便学生对四杆机构掌握透彻。

1）设计平面四杆机构。通过题目给出具体的机构参数，让学生对参数进行计算，分析四杆机构的运动，大概得出平面四杆机构图。

2）绘制四杆机构的三维模型。学生根据对平面四杆机构的运动分析，得到四杆机构各杆的长度，在UGNX3D建模软件中构建出各杆的3D模型，通过各杆之间的运动关系，按照所需要的自由度进行装配。最后经过UG运动仿真分析，验证四杆机构的运动结果是否符合预期设计要求。

3）将四杆机构进行3D打印。得出相应的四杆机构模型后，对生成的文件格式进行转换导入3D打印软件，对四杆机构各零部件分开打印出3D模型，最后进行零件的装配和后期处理。3D打印技术不仅可以应用在四杆机构的设计，还可以应用在凸轮机构、齿轮、轴承等机构的设计。这种实践与理论相结合的教学模式，可以让学生更加直观地理解抽象的内容，理解“机械原理”这门课的主旨。

5 结论

通过3D打印技术在“机械原理”课程教学中的应用，将艰深晦涩的内容与妙趣横生的实践结合在一起，使学生对教学内容更加感兴趣，提高了学生的学习效率，培养了学生的综合能力，提升了课堂的教学质量，对教学创新改革有着“里程碑”式的影响。各大高校应该加大3D打印技术在课程教学的应用，完善教育体系，鼓励教师深入研究3D打印技术，更好地将3D打印技术运用在教学中，保障教学的质量。