3D 打印技术在“计算机辅助制造”教学中的应用

陈晓斐

（酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

3D 打印技术是20 世纪90 年代中期出现的一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印技术具有灵活、快速、高效、准确、节省材料等特点，被广泛应用在制造、建筑、医疗、地理信息系统、航空航天、教育等领域[1]。“计算机辅助制造”课程是机械设计制造类专业的一门核心课程，通过该课程的学习，可以运用计算机辅助制造类软件对零部件进行数字模型建模，并完成工艺路径规划等，具有很强的实践性，但课程的内容相对比较抽象、复杂，需要学生具备较强的空间想象能力和对零部件结构的分析能力。在“计算机辅助制造”课程教学中引入3D 打印技术，将计算机中抽象的零部件数字模型以实物的方式展示出来，可以使学生更直观地观察实物模型，更有利于学生掌握零部件结构，方便进行结构分析及工艺路径规划，也可增加课程的趣味性，有效提高学生的学习积极性。

1 3D 打印技术原理与特点简介

1.1 3D 打印技术工作原理

3D 打印技术又名层叠打印技术，是基于平面离散/堆积的成形方法，将零件的三维模型数据进行处理，沿某一方向进行平面“分层”离散化，然后通过3D 打印机将成形材料一层层加工堆积成样件。常见的工艺类型有薄材叠层成形、光固化成形、熔融沉积成形、选择性激光烧结/熔化成形、三维印刷等，主要应用于产品以及零部件的快速设计及制造，其起源是快速原型技术。快速原型技术包含了CAD/CAM 以及层叠制造。CAM 引导了CAD 的发展，而CAD 又通过曲面设计、模具设计、复杂造型等辅助CAM，二者的互通合作，可以保障3D 打印技术更为合理，同时又兼具科学性和创新性。

三维数字模型主要是通过正向建模和反向扫描来建立的，然后按照三维模型某一座标轴将模型进行切片分割成，最后逐层打印堆叠生成三维实体。随着3D打印技术不断发展，打印方式也越来越多，常见的打印方式有贴膜技术、粉末激光烧结技术、立体光刻设备技术、喷射成型技术、熔融沉积成型技术、气雾打印技术、生物绘图技术等。利用3D 打印技术可以灵活打印各种形状的模型，打印的成品有较高的精度，也可以实现定制化，而且整个设计、生产过程周期短、效率高，从而有效地降低了研发成本，提高了经济效益。

目前，在教学中应用最普遍的是FDM 和SLA 这2 种3D 打印技术。

第一种FDM 是熔融沉积成型技术的简称，是一种将各种热熔性的丝状材料（蜡、ABS 和尼龙等）加热熔化成形的方法。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，最后在立体空间形成立体实体。小型桌面级3D 打印机一般采用这种技术，这种设备的刚性好，运行平稳，使用、维护比较便捷，而且成本不高，但成型件成型精度低，而且需要设计和制作支撑结构，适合用于制作尺寸要求不高、复杂程度不高、表面要求不高的零件。

第二种SLA 是立体光固化成型技术的简称，是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。SLA 是最早实用化的快速成形技术，发展时间最长，工艺最成熟，应用最广泛。SLA 技术成形速度较快，精度较高，无需切削工具与模具，可以用于加工结构复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，还可以在原料中通过加入其他成分，用SLA 原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。但SLA 系统造价高昂，使用和维护成本过高，对工作环境要求严格，而且成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。

1.2 3D 技术特点

3D 打印技术是一项创新的技术，同时也是一项融合了许多技术的综合领域，其特点如下。

多技术的融合。信息化飞速发展、数字化日益普及的今天，3D 打印技术不仅涉及CAD 技术、数控技术、电子技术、机械工程、信息技术，同时也涉及材料学、化学等方面，是实现产品从二维模型转换为三维实体的一种制造方式。融合了非常多的先进技术和基础技术，其在实现创新的同时，对制造业数字化的促进作用不可小觑。可以将3D 打印技术看作是制造业的质变，是多种先进技术的有机结合。

简化了制造过程。3D 打印技术是基于计算机技术和软件技术，不但可以独立操作，其方便快捷的特点也是优点之一，与此同时制造业的方法论、数字化程度也有所提高，制造业的工作模式在这些技术进步的基础上变得简单方便，管理效率也显著提高。不同于以往的打印，3D 打印技术直接从原材料的形态开始运作，传统制造业的粗加工环节基本省略，生产效率提高，在环保、节能降耗等方面也产生了积极的影响。最重要的是，3D 打印技术以创新的手法和技术改变了传统的生产方式，避免了流水线和大工厂工作模式的弊端，以网络化模式进一步提升了工作效率。

产业效益明显。3D 打印技术综合了多方面的技术和知识，可以应用到医疗、航天、教育、制造业等多个领域，随着3D 打印技术的不断优化，可应用领域一定会不断拓展，尤其是对于生产要求复杂、生产环节出错率高的行业，3D 打印技术的潜力不可估量，在不久的将来，3D 打印的产业效益会更加明显，人们生活的各方面会进一步接触到该技术。

对规范行业标准的需求。在看到3D 打印技术的市场潜力、技术潜力的同时，也需要对其标准进行规范，既然是各领域技术融合的综合体现，也服务于各个不同的产业领域，3D 打印技术在实践应用时需要根据行业的不同设立不同的规范，例如生产标准、知识产权、存储数据安全性等方面，都需要制定一系列的规章制度，否则会制约3D 打印技术的发展，进而影响到相关产业的发展和变革。

2 “计算机辅助制造”教学现状

计算机辅助制造是在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程。采用计算机辅助制造零件、部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。因此，计算机辅助制造在制造产业中发展非常迅速，尤其在结构复杂的零部件制造中，计算机辅助制造的优势更加明显。

“计算机辅助制造”所涉及的软件学习、思维培养都属于较为抽象的内容，对学生的理论水平和实际操作能力都有着较高的要求，抽象晦涩的教学内容很容易让学生产生厌学情绪。对于在校学生，虽然已经学习过机械制图、计算机绘图和其他机械类专业课，但学生们对零部件的认识才刚刚开始，目前只处于识图阶段，对复杂的零部件的结构认知不够深入，造成三维模型的建立能力不足，长此以往很容易导致学生产生逃避的心态[2]。

目前，学校的“计算机辅助制造”教学主要是通过课本知识讲述基础的知识系统，以及利用制图、设计、加工、软件设计、操作设备等课程内容，让学生的知识面得以拓宽，有效完成教学任务，因此，在“计算机辅助制造”教学中，首先需要解决的问题就是如何增强课程的趣味性和课程对于学生的吸引力，在掌握计算机辅助制造基础知识的过程中，让学生能够稳扎稳打，提高计算机辅助制造软件应用能力和实际操作能力，继而提升专业水准。在教学中引入3D 打印技术，将增材制造的相关内容设置在课程中，让学生动手参与三维模型的3D 打印制造，可以拓宽其视野，提高其认知。

“计算机辅助制造”涉及的内容较多，虽然多个课程的内容学生已经学习，但各课程内容内在联系较为松散，逻辑性不强，学生很难将知识相互联系起来。与此同时，各科涉及的理论知识较多，在有限的教学时间中，广度和深度有时只能顾及前者。学生的认知水平及知识储备各有不同，学习能力欠佳的学生无法及时消化吸收讲授的教学内容，对于相关的专业知识仍然停留初始阶段，达不到课程的教学目标，教学效果不理想，尤其是学生应用能力培养方面比较弱。硬件设备受限，由于受到学校办学条件的影响，教学中所能使用到的实训器械往往精度较低、数量不够、种类单一，很难满足教学需求，无法保证每一个学生都能通过设备将设计好的三维模型做成实物，学生不能检验自己的学习成果，学习积极性自然受到打击。教学方式单一，“计算机辅助制造”课程涉及的内容较多，但由于设备的限制，很多内容无法以实物展示，只能以理论讲解的方式展示给学生，使得学生对教学内容的理解困难。课程的实操主要以软件模拟为主，实操内容较少，既没有利用软件的功能，也没有妥善处理数据程序后期，也使得课堂活跃性大大降低。

针对“计算机辅助制造”教学过程中出现的这些问题，只有通过改变现有的教学方法，进一步加强理论联系实际，促进师生间的互动，提升学习条件，让学生在学习理论知识之余，使每个人都进行实践，在实践中培养学生的积极性，完善学生的知识结构，提升其理论水平和动手能力。而3D 打印技术的特点，正好可以满足“计算机辅助制造”课程教学的需要。

3 基于3D 打印技术的“计算机辅助制造”教学设计

3.1 做好知识准备

将3D 打印技术引入到教学中，利用3D 打印技术将模型变为事物的特点，学生可以参与到产品的设计、调试、制造整个过程，对计算机辅助制造有更深入的认识，掌握和认识3D 打印技术。因此，在具体的教学过程中需要做到以下几个方面：①掌握3D 打印的基本原理，认知其应用范围和发展方向；②掌握当前3D 打印的主流方式及工艺相关知识；③掌握FDM 相关知识，能够熟练使用3D 打印软件、操作打印机、设计模型、操作扫描仪、后期处理等内容。

3.2 选好课程案例

好的课程案例可以激发学生的学习兴趣，提升学生的分析和解决实际问题的能力。但在教学过程中，往往是使用现成的案例比较多，挖掘符合学生自身情况的高质量案例少，造成案例与岗位及学生实际的契合度不是很高[3]。因此，要针对岗位特点、学生学情等因素，开发出符合学生认知、岗位需求并且具有可操作性的高质量案例，满足“计算机辅助制造”教学的需要。

3.3 制定教学内容

首先，在教学开始阶段，利用数字化教学工具，让学生通过图片、视频、3D 打印实物对3D 打印有基本认知，用形象的表达方式激发学生对3D 打印技术的好奇心，提高学习的热情。

然后，讲解3D 打印技术工作原理、设计思路、使用方法等相关技术。3D 打印技术涉及的各方面技术环节，教师可以进行详细的介绍说明，让学生熟悉3D 打印工作原理及工作流程，便于后期开展实践教学。

接下来，教师针对学生专业及岗位特点设置符合学生实际的实践案例，教师可以对案例当中的模型进行结构分析和基础知识的讲解，利用专业软件对建模、仿真加工等功能进行演示，并使用3D 打印设备及其他自动化设备制造出案例中模型的样件，使学生对计算机辅助制造有一个更清晰、全面的认识[4]。学生根据教师讲解以及演示的整个操作流程完成案例，通过这样的教学方式，可以进一步培养学生的学习能力。

最后，布置任务，通过给学生分配设计题目，让学生进行实践，学生可以自主设计个性化工艺品、复杂的零部件等，自己搜集资料，整理出重点、难点，进行具体的设计、建模、制定工艺径并完成实体的生产工作，以此来锻炼学生的思维模式和动手能力。在此过程中，学生可以通过独立思考和小组讨论等模式，确定如何完成实践任务。

教师根据学生的学习情况和实践结果，对完成过程和作品进行考核和总结，提出模型中存在的问题及不足之处，指导学生对模型文件进行修复，并对自己的数据进行整理和修正，重新给打印机传输数据、制作作品、完成作品表面打磨等，最终做出符合要求的作品。通过这一过程，不但可以让学生提升自身的学习能力，同时可以提升了学生的动手能力，在实践过程中学习理论知识，二者齐头并进，帮助学生更好地理解课程内容。

3.4 提高学习能力

好的教学效果除了教师的讲授外，也离不开学生的主动参与，由于3D 打印技术涉及很多交叉内容，如制图、机械制造、机械设计、软件，单个学生很难全部完成，这个过程中最有效的办法就是将学生们分成学习小组，对小组设置共同完成设计项目。每个小组分区域、定项目、选队长，由队长带着队员们交流和学习，将任务按照设计、加工、协调打印设备进行分配，不懂就问、经常沟通，在学习中进步。总的来说，学生与学生之间的交流与合作，是深入学习的有效方法，思维的碰撞、彼此的监督，可以帮助团队做出更为丰富和多元化的作品。

3D 打印技术是一种新兴的制造技术，具有灵活、快速、准确、节省材料等特点，将这一技术引入到“计算机辅助制造”课程教学中，可以让学生建立的模型很快变为实物，让学生在学习的过程中，综合体验多个交叉课程的理论和实践，更为准确地体会三维设计和制作，并找出其中存在的问题，既培养了学习兴趣，也加强了学习的主动性，进一步促进学生的全面发展。