3D 打印技术在计算机硬件组装与维护课程中的应用

南京交通职业技术学院基础部 李扬

随着3D 打印技术的发展和普及，其在教育领域的应用引起广泛关注。通过引入3D 打印技术，可以获得更加实践性和直观的学习体验，并培养创新、合作和问题解决能力。在课堂中，可以通过3D 打印技术设计和制作物品模型，加深对物理、数学、工程等学科知识的理解和应用。3D 打印技术在教育领域有着广阔的前景和潜力，可以提供更加实践性、创新性和多样性的学习体验，促进其综合能力的发展和提高。

随着互联网的普及和移动网络的崛起，计算机及计算机应用技术已经深入到人类社会的科学研究、工作学习、日常生活等方方面面，随之而来的是计算机硬件组装维护的应用也愈加重要。作为计算机应用技术相关的从业者和使用者，正确判断计算机的硬件故障并及时进行维修、维护，对保障科学研究、工作学习、日常生活的正常、高效运行具有重要的实际意义。计算机硬件组装与维护是一门对动手能力要求较高的课程，需要学习者投入大量的时间开展实际操作训练。如果只通过有限的教材、视频资料等指导知识的学习，在学习过程中仅仅掌握了理论知识，拥有的技能也只能维持在“拆”和“装”两个维度，自身解决实际问题的能力也没有得到有效提高，课程的教学质量难以达到预期效果。上述问题，已经严重束缚了计算机硬件组装与维护课程的建设和发展[1]。针对课程的实际需求，引入3D 打印技术，可以深入、形象、动态掌握计算机主机部件结构，以虚拟仿真技术实现课程教学效果的大幅提升。

1 3D 打印技术在计算机硬件组装与维护课程中的困难

（1）计算机硬件组装实验课程教具有限，课程中动手实操机会不多。近年来，国内电子产品行业飞速发展，这让计算机硬件成本得以大幅下降。然而，即便是一台主流配置的电脑，其价格仍然高达4000 元左右。由于在实验课时需要节约成本，他们常常将自己分组成5 ～8人，共用一台计算机进行拆装。然而，这种实训教学条件往往会错失接触每个部件的机会，难以熟悉每个零件的具体装配方式，从而导致教学效果严重受损。

（2）计算机硬件组装实验课程教具陈旧，内部组件与主流配置完全不同。由于组装实验室的成本投入问题，学校经常会将性能落后或即将淘汰但仍然可以正常使用的计算机用于组装实验室供拆解和组装。然而，这些老旧的计算机的内部组件与主流配置的设备在接口和造型上完全不一样，这导致学生在一堆“古董”设备里操作时与现实脱节。

（3）计算机组件反复拆装容易损坏。计算机内部的各种组件都属于精密仪器，通常由金属、PCB 电路板、塑料和橡胶等材质组成。然而，这些组件的设计初衷并非为了坚固耐用，因此在实训操作中经常进行反复的拆装、插拔，容易导致组件的接口、芯片损坏。此外，计算机部件属于精密电子产品，因此过度触碰和不规范的操作往往会因为静电导致设备损坏。

（4）计算机组件的内部结构缺乏完整的演示。随着电子制造业的不断升级，计算机组件的整合度越来越高，其完整性和稳定性也越来越强。许多部件采用了一次封装的设计，使得其内部结构难以完整地展示，在实验室学习时，也只能看到组件的外部形状，而难以理解内部组成和结构。即使通过图片、视频等方式的拆解，也很难直观地、完整地反映部件的内部结构和组成。这种情况下，教师可以通过其他途径来帮助更好地理解计算机组件。例如，模型演示、虚拟仿真等方式，更深入地了解各个部件的工作原理和组成结构。

（5）提升计算机外设易损部件的维修能力，实现易损部件的再制造过程。除了键盘和鼠标，计算机外设中还有很多其他易损部件，比如，耳机、摄像头、扬声器等。这些部件往往需要耗费一定的成本进行维修或更换，但通过3D 打印技术，可以制造出精准的替代零部件，降低维修和更换的成本，并且更加环保。此外，通过学习和应用3D 打印技术，不仅可以培养他们的动手能力和创造能力，还可以让他们更好地了解计算机硬件的构成和工作原理，从而做到内外兼修。

2 3D 打印技术引入计算机硬件组装与维护课程的思考

3D 打印是一种可以将数字模型转化为真实的、具有立体感的物体，实现从想象到实物的无缝衔接的技术。通过分层打印的技术，3D 打印机可以在数小时内制造出一个完整的模型，无论是简单的立方体还是复杂的人体器官。这项技术的广泛应用，已经在医学、建筑、汽车、工业设计和艺术等各个领域展现了它的无限潜力。设计师们可以通过3D 打印技术来制造原型，快速迭代和改进产品，从而大大提高了设计的效率和质量。尽管3D 打印技术已经取得了巨大的进展，但仍有一些挑战需要克服。比如，3D 打印机的速度仍然比传统的生产方法要慢，而且材料的选择和质量也需要不断改进。

3D 打印技术的总体过程是一个高度精细的过程，需要先进行计算机建模。在完成三维设计模型后，使用专用的分层软件对模型进行切片，将模型切分成许多薄片，每一层的切片数据都被准确地传输到3D 打印机中，指导打印机逐层打印。在打印过程中，打印机会根据每层的切片数据，将打印材料准确地堆叠在一起，逐渐构建出完整的三维物体，最终实现部件1:1 的具化模型。同时，3D 打印技术还可以创造需要修补的部件，通过修补设计模型，再进行分层切片，最终实现修补后的部件打印。整个过程高度自动化，大大提高了生产效率和精度。

随着技术的进步以及市场的扩大，3D 打印机及其使用成本也在快速的下降。除了早期应用于航空、航天、汽车、船舶等高精尖行业，如今3D 打印技术在服装、制鞋、建筑、影视、医疗等民用行业也得到前所未有的应用，逐渐取代了传统手工制造实体模型的工艺，同时可以制造更加复杂和完整的实体模型[2]。3D 打印技术是一项具有重大意义的技术，它为我们带来了无限的想象空间和创造力。

3 3D 打印技术引入计算机硬件组装与维护课程的实践

目前，市场上3D 打印技术种类繁多，而且3D 打印设备在尺寸、精度和成本上差距较大。根据高校教学资源的实际情况我们尝试以下打印技术。

3.1 FDM 熔融沉积成型3D 打印技术

FDM 熔融沉积成型技术是一种常见的3D 打印技术，也是3D 打印中最常用的技术之一。该技术的原理是将一个细丝材料（通常是塑料）加热软化，然后通过一根可控的喷嘴按照一定路径依次挤出并沉积，形成一个三维的物体。在3D 打印过程中，控制3D 打印机喷嘴的运动轨迹和温度，将熔化的塑料挤出到特定位置，然后通过降温固化，最终形成一个完整的物体。这一过程的控制和精度通常由3D 打印机的软件进行管理，根据所需的设计来精确控制挤出头的移动和材料的沉积。

3.2 SLA 光固化快速成型3D 打印技术

SLA 光固化快速成型3D 打印技术是一种高精度的3D 打印方法，其工作原理基于紫外线光固化液体光敏树脂的原理。在SLA 打印过程中，首先选择一种光敏树脂作为3D 模型的原材料，这种树脂是液态的并对紫外线光敏感。打印过程始于一个可上下移动的构建平台，通常位于装有液体树脂的槽中。底部的光源通常采用紫外线激光或LED 光源，发射特定波长的紫外线光线。当光源照射在液态树脂表面时，树脂会发生光化学固化反应，从液态逐渐变成坚固的固态，这一层固化后，构建平台会下降一小步，以准备进行下一层的固化，这个层叠沉积的过程会不断重复，直到整个3D 模型完成。在某些情况下，为了支撑悬空的部分或者确保特定结构的稳定性，需要添加支撑结构，这些支撑结构通常由相同的光敏树脂构建，并在模型完成后一同固化。完成3D 打印后，模型通常需要经过冷却和后处理，例如，洗涤以去除未固化的树脂，以及通过紫外线曝晒来进一步硬化和加固模型。

根据计算机硬件组装与维护课程中的相关内容，首先确定需要打印的计算机部件，经过拆解了解其内部结构，再使用3D 绘图软件绘制所有零件生成3D 精密模型。也可以使用3D 扫描设备采集每个零件的3D 数据，直接生成为3D 模型后再进行手工修正达到打印精度[3]。这一过程能够亲自动手制作虚拟部件，掌握每一个部件的组成样式，在虚拟环境中充分掌握计算机部件内外组成结构。随后通过3D 精密模型打印专用切片软件生成切片数据，切片软件可以根据具体零件的造型及用途设置打印速度、出料速度、回抽速度、打印温度和挤出宽度等数据。正确的切片数据设置不但能成功地完成打印任务，同时也可以提高打印精度，使打印实物结构夯实、表面光滑、组合流畅。最后将切片数据导入3D 打印机，设置好打印机自身数据通过切片数据顺利完成打印任务。通过以上步骤完成从绘制3D 模型到打印实物模型，由内而外地掌握计算机每个部件，非常有助于掌握计算机各个部件的物理特征。3D 打印的即时性、快捷性可以保证呈现出最新的计算机硬件数据及模型。同时还可以自己设计、打印一些计算机易损零件用于修补，比如键盘帽、鼠标按键、耳机挂架等。将计算机硬件组装与维护课程提升到能够设计和制造的新纬度。

4 3D 打印技术在引用过程中首要解决的问题

4.1 如何高效创建精准的3D 建模？

在计算机硬件组装与维护课程中，学生首先需要对计算机内部组件进行拆解分析，掌握零件具体构造。然后通过3D 制作软件绘制计算机组件的精密3D 模型，如Autodesk Fusion 360、SolidWorks、Blender、Tinkercad 等，以便能够创建复杂的3D 模型并进行精确控制。通过参数化建模，可以在模型中轻松更改尺寸和形状，可以提高建模的灵活性和效率。为了达到更高的像真度甚至需要拆解部件，针对每一个零件绘制，最后组装完成。同时也可以通过3D 扫描技术快速捕捉计算机部件的几何形状和表面细节。比如，激光扫描、结构光扫描或摄影测量，以获得高精度的3D 数据。采集数据后通常需要专业的建模软件来去除噪音、填补孔洞、优化模型的几何结构等。

4.2 如何设置3D 打印模型切片的参数？

学生能够掌握对3D 模型进行切片的能力和打印时切片数据的正确设置。切片软件是将3D 数字模型转换成3D 打印机可以识别的可打印代码，让3D 打印机发出打印指令的3D 软件。切片软件是3D 打印的必备工具。它可以将STL 等格式的3D 模型切片成水平层，生成一系列2D 图像，3D 打印机可以理解并用来逐层构建物体。该软件还可以计算打印所需的耗材量和估计打印时间。然后将信息保存在G-code 文件中，并发送到用户的3D打印机进行打印。实质上，切片软件充当了一个翻译器的角色，将3D 数字模型转换为3D 打印机可读的代码。

在进行3D 打印之前，需要将数字化的3D 模型转换成打印机能够理解的代码，这就是切片软件的重要作用。它可以根据我们选择的设置，将3D 模型分层并转化为2D图像，以便3D 打印机逐层逐层地构建物体[4]。在这个过程中，切片软件不仅要计算出所需的耗材数量和打印时间，还要对不同的参数进行调整以实现最佳的打印效果。其中，层高参数可以影响打印物体表面的光滑程度，我们可以根据所需的打印精度和打印时间来选择最适合的层高。外壳厚度和填充密度参数可以影响打印成品的强度和重量，也可以根据打印物体的用途和要求来进行调整。打印速度参数则涉及到挤出机在挤出耗材时的速度，需要平衡速度和打印质量之间的关系，以确保打印出来的成品不会出现失真或者表面不光滑的情况。总之，切片软件是实现3D 打印的关键之一，通过调整不同的参数，可以实现高质量、高效率的打印效果[5]。

4.3 如何选择3D 打印材料

学生能够根据打印目标的形状、用途、颜色而选择不同材料，从而就得考虑成本、外观光滑度、尺寸精度、力学性能、热力学性能、工作环境以及特殊功能性要求等因素。尽管有种种因素，不过基于模型的制作目的，大致可分为三类：外观验证模型、结构验证模型和功能展示模型[6]。因为仅是作为展示和模拟的部件，所以对成品的力学强度要求不高，因而我们尽可能地选择打印精度高、尺寸准、外观细腻的打印材料。

4.4 如何修正3D 打印物件

学生根据设计需求可将3D 打印出的实物表面和缝隙处容易出现的误差和拉丝，使用笔刀、钢锉、砂纸对实物模型进行修正和打磨手工修正，确保表面平整外形精确。

5 结语

3D 打印技术通过对物件设计灵活、打印种类丰富、打印成本低廉、物件可复制性高、对时间空间要求较低，为计算机硬件组装与维护课程提供各类教具和修补零件。其本质依旧是虚拟现实技术，是将原来看得见摸不着的虚拟现实技术变革为看得见也摸得着的技术，突破了原来只能在计算机屏幕里的虚拟而成为学生们手中的现实。学生经过绘制、制造最后组装的过程能够更加全面、细致地掌握这门课程的相关知识，在学习过程中也能做到事倍功半。3D 打印技术在教育行业尤其是计算机相关专业略显薄弱，依靠国内成熟的3D 打印软硬件技术及打印材料在计算机硬件组装与维护课程中具有巨大的研究价值和应用空间。

引用

[1] 袁晨峰.职业院校开展3D打印技术的课程教学实践与研究[J].现代职业教育,2018(14):176-177.

[2] 晁艳普.3D打印创新设计与制造课程的探索与实践[J].中国现代教育装备,2017(13):60-62.

[3] 冯丹艳.基于Soliworks软件的FDM技术3D打印设计与实践[J].内燃机与配件,2022(14):81-83.

[4] 吉冰倩.基于FDM 3D打印的模型数据前处理[J].机械工程师,2022(3):68-70.

[5] 周石林.FDM 3D打印成型精度试验研究与优化[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版),2022,41(04):339-345.

[6] 何悦菡.高职产品设计专业虚拟仿真3D打印模型制作实验教学研究[J].轻工科技,2022,38(01):163-166.