朱政红， 任汪洋， 徐东镇

(合肥工业大学 机械工程学院,合肥 230009)

机械类专业开设3D打印课程的教学与实践

朱政红， 任汪洋， 徐东镇

(合肥工业大学 机械工程学院,合肥 230009)

在分析当前机械类专业教学活动中开设3D打印课程可行性的基础上，重点介绍了课程理论知识学习、设备设计制作、模型打印等教学实践的开展和3D打印技术在教学中的应用效果。教学实践表明，3D打印应用效果显著，有助于帮助学生掌握相关知识与技能，培养学生工程实践能力和创新能力；目前的教学实践为进一步探索3D打印在教学中的深入应用打下了坚实基础。

3D打印；教学活动；教学实践；教学应用

一、引 言

3D打印技术是快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术中的一种，又称增材制造(Additive Manufacturing,AM)，它以CAD几何模型文件为基础，运用陶瓷粉末、金属粉末、液体或塑料等可黏结材料，通过软件分层离散和数控成形系统，采用逐层堆积的方式来构造物体的技术。近些年来，3D打印在全球不断升温，并且广泛地应用到工业制造、生物医学、建筑与城市规划、军事武器、航空航天以及教育等各个领域。《经济学人》《纽约时报》称3D打印将成为全球第三次工业革命的导火索。

3D打印这种数字化模型制造与传统的机械制造相比，大大降低了制造难度。它不仅简化了工艺装备(无需刀具、模具，工装与夹具大幅度减少)，大大提高材料使用率，提高制造柔性化，更能制造出传统加工方法难以制造甚至无法制造的结构。同时，由于可以生成任意复杂的产品形状，因此在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，而无需考虑加工问题，解决了复杂精细零部件的设计和制造难题[1]。良好的技术优势和日益成熟的成型工艺，使得各制造大国竞相发展，并把3D打印技术普及到基础教育中去。英国、美国、荷兰等国家的教育工作者陆续地探索3D打印的教学应用以推动教育创新，培养学生的工程技术与技能来面对未来的挑战。3D打印作为近几年兴起的先进制造技术之一，将其引进校园是现代高等教育教学改革发展的一个新趋势[2]。

二、3D打印技术引入教学的可行性

当前传统的机械类专业教学仍以理论教学为主，由于设备台套数、设备更新的周期性等种种因素，学生动手实践的教学活动无法深入展开，甚至一些实践活动无法实施，影响了教学效果。具体原因大致如下：第一，教材出版有一定应用时间周期，而许多先进制造技术却更迭加速，教材难以及时更新，学生无法及时获得最新知识。第二，受教学条件的限制，实践教学设备通常难以保证规范的数量。学生看的多，动手的少，工程实践活动无法惠及每个学生。第三，机械类专业不同课程之间联系紧密，存在知识交叉，但具体教学内容却缺少不同课程间的知识融合，学生难以融会贯通，导致在工程实践中力不从心。

桌面级3D打印机具有体型小巧、工艺简单、成本低廉、安全环保、能快速成型等优点，能够很快实现机械模型打印以及创新制作模型打印，变抽象为具体，有利于辅助课程教学；其也是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要包括高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等，引入教学用于举一反三，可以拓展学生思维，进行创新性产品开发；此外，3D打印技术还涉及新型打印材料的开发、不同设备不同材料打印工艺的研究等众多方面[4]，可以培养学生分析研究问题的能力。因此，将3D打印技术应用到机械类专业实践教学环节，可使学生掌握专业基础，实现跨学科知识交叉，并深入了解利用高科技手段进行工程设计的概念[5]。

三、3D打印技术在教学中的实践

本着以学生能力达成为主导，自主学习为准则，项目驱动为教学模式，我们开设了24学时的《3D制造技术综合实践》全校公选课。课程围绕多种结构类型的桌面级3D打印机展开，如Makerbot型、Kossel型、Prusa i3型。学生从自主基础知识获取、方案制定、零部件以及PCB板等的设计与选择，到实现3D打印机的搭建与调试运行，最终完成课程学习。教学始终以团队模式进行项目制作，以期拓展学生机械、机电、控制技术、硬件设计与机电一体化设计理念等知识，培养团队合作、自主学习、动手实践、交流表达、经济核算和可持续制造思维等能力。课程以课堂讨论为主，配以样机演示、实验和实践操作指导以及课内外交流讨论等，引导学生探求解决复杂工程问题的决策方法。

1.课程主要内容与具体要求

实践教学中，有目的地引导学生自主学习是本课程的特色。课程一改传统的以教师为主的授课模式，通过提供参考资料和实体样机，引导学生进入自主学习状态，让学生掌握一定的3D打印知识，保证教学的顺利进行。

(1) 资料查阅与基础知识获取 教学的重点在于如何引导学生获取资料并提炼所需知识。即我们给学生布置课外任务，要求学生以产品设计制造为主线查阅资料并进行整合，辅助以图片、视频和组织讨论等形式对各种类型的3D打印技术进行讲解。引导学生思考如何合理地进行实验设计、怎样发挥3D打印技术的优势及拓展应用、这些技术需要在哪些方面有所突破、如何突破以及突破后的技术应用在哪些方面、如何应用才能推动制造业的发展等问题。此外，我们还要求学生提出质疑，以培养学生主动学习先进制造技术的意识，为后续实践营造氛围。

(2) 样机拆装与方案制定 我们在实验室配备了一款Makerbot桌面级熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印机供学生操作使用。学生可以直观地了解3D打印机的工作机理、打印过程以及关键机构。课程提供了若干简易型3D打印机供学生拆装，为学生的自行设计提供了一定的参考。

在具体教学过程中，首先要求学生以团组为单位讨论机身方案，并要求反复推敲，制定总体设计方案；其次，要求学生查阅目前桌面级3D打印机所用的各种软硬件(喷头组、控制主板等)，进行功能和经济对比，做出合理选择；再次，要求学生能够基于机身稳定性、软硬件的功能和经济性等指标做最优化的统筹方案。 最后，要求学生导入可模块化拆卸理念，有意识地进行资源再利用。

(3) 整机搭建与调试 根据学生的设计方案，我们预先购置了一些配件(如步进电机、丝杠等)，在搭建过程中则要求学生使用配备的3D打印机打印另一部分零部件(如电机座)，用以考察学生操作3D打印机的能力。在实验过程中，要求学生反复检查连接情况并进行通电运行调试，调试完毕后要求学生打印模型测试打印机性能。

(4) 课程考核 课程实践不仅涉及资料查阅、样机拆装与方案制定、整机搭建与调试，还涉及材料选择与加工、经济成本核算等方面，为了全面考核学生的综合实践能力，要求学生提交3D打印实体机、3D打印作品、实践报告，最后通过结课答辩的方式来考核学生的能力达成情况。

2. 3D打印的教学实践

(1) 3D打印机制作 考虑到成型工艺的易实现性、设备经济性并满足一般模型的尺寸要求，学生设计制作的3D打印机为FDM型，采用加热式平台，选择PLA打印材料，成型体积为200*200*180mm，采用加热式平台。选择铝型材、光轴、丝杠搭建机身，选择Repetier-Host作为操作软件，Mega2560作为控制电路，再选择MK8型喷头组、42步进电机、12V开关电源等配件，进行整机组装并调试。图1、图2分别为一组学生的设计方案(结构部分)和最终的3D打印实体机。

(2) 模型打印与调试性能验证 FDM成型工艺的3D打印机的工作过程一般包括建模、分层、成型和后处理四个主要步骤。这里以齿轮的打印实例介绍3D打印机的工作过程以及验证打印机的调试性能。主要步骤如下：

第一，将齿轮模型的STL文件载入操作软件Repetier-Host的“3D空间”中。调整模型摆放位置和角度，如下页图3所示。

第二，对调整好的模型进行切片分层设置。选择“Slic3r”作为切片软件，在参数设置界面内对层高、打印速度、填充密度和类型、支撑、喷头与热床温度等参数进行设置，如下页图4所示。

第三，进行切片，切片完毕的模型如下页图5所示。

第四，模型打印。打印完成后经过去支撑、去毛刺、打磨等后处理的齿轮模型如下页图6所示。该图展示的齿轮为经过一系列后处理操作的模型，打印精度为0.2mm，模型表面较为光滑，层纹细小而均匀，无严重的拉丝、翘边等现象。整个打印过程反映了学生设计制造的3D打印机具有良好的打印性能。这些3D打印机反过来又可以成为我们教学的设备，为学生提供更好的实践条件。

(3) 3D打印技术在机械类学科专业中的应用 3D打印技术的重要价值之一就是能够实现快速制造，个性化定制，能够及时地将设计思想变为现实，能够实现三维立体的具象展示。因而在机械类专业教学中，3D打印机能够成为教育工作者的得力助手，帮助教师将课程中的机械结构或者技术现象进行可视化展现。

在机械制造专业教学中，对于机械原理课程中的蜗轮蜗杆传动、复杂轮系的运动等转向问题，学生很容易混淆，教师以此设计打印各种结构用作教学演示，可以帮助学生理清思路；又如机械制造基础中借助3D打印机制作出各种刀具、夹具，可以帮助学生理解刀面与角度、定位与夹紧等概念。数控技术课程亦将3D打印控制技术引至实验教学，理解其中的数控技术原理。

在模具设计制造专业教学中，学生可以利用3D打印机先将设计的模具打印出来，以验证是否符合设计要求，省去了铸件开模的时间和花费。同时，教师也可打印模具模型用来演示以辅助教学。

另外，在车辆工程、飞行器专业和真空技术专业的教学中，学生可以利用3D打印机制作的车辆外观模型、飞机机翼、螺旋桨、真空泵螺旋转子等来加深对学科知识的理解。

3. 3D打印技术在教学中的应用效果

首先，将3D打印技术引入到教学中，拉近了学生与先进制造技术的距离，使学生能够加深对数字化前沿技术的认识，为学生提供了一种解决复杂工程问题、学习综合性知识的路径。其次，3D打印机的设计制作，有利于帮助学生理解和掌握3D打印技术，并营造了良好的实践教学氛围。再次，3D打印机应用于机械学科专业，使学生能够立体地接触到各课程中的机构或器具，不仅丰富了课程教学内容，而且提高了学生的学习兴趣。然后，在3D打印机从设计到制作中，三维建模软件的应用，机械设计、机械原理以及单片机等课程的运用，使得学生能够在实践中综合运用所学知识，做到融会贯通，模型的绘制、工艺参数的设置和打印过程中问题的解决，提高了学生的工程实践能力。最后，学生在实践过程中通过讨论交流互相协作，将创意通过3D打印机实现，激发了学生的想像力和创造热情，对学生创新能力的培养起着重要作用。

四、 结 语

3D打印课程的教学与实践，是在兼顾理论教学的基础上更倾向综合性、创新性的实践，它能帮助学生从发展趋势、应用领域、工作机理、设计制造、使用维护、消化吸收再创新等方面全方位地了解3D打印技术，为学生后期使用操作3D打印机、设计研发新型3D打印设备提供了一定的理论和实物参考依据。我们先后也在先进制造技术课程、毕业设计等教学活动中引入3D打印技术建摸方法、创新型设计等理念实践，实践教学不但改善了传统的理论性教学环境，提高了学生的学习兴趣，拓展了学生视野，而且使学生在自主学习、主动思考、创新实践的过程中提高了工程实践能力、创新能力，如毕业设计制作的可折叠式便携3D打印机已经成为样机。为了发挥3D打印技术在工科专业中的广泛应用，依托3D打印在机械类专业教学中的实践，我们计划建设创客(Maker)实验室，一方面给更多的学生提供深入研究的空间，拓展学生思维空间；另一方面谋求与相关企业合作并提供资源共享服务，培养适应时代发展的创新型人才。

[1] 吴怀宇.3D打印——三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2015:40-41.

[2] 张英杰.3D打印在高分子材料成型加工课程教学中的应用初探[J].中国医学教育技术，2014(6):637-638.

[3] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012(26):3-5.

[4] 张国玲，吴涛，张功国.快速成型训练项目的建设与实践[J].实验室研究与探索，2011(3):314-317

(责任编辑 谢媛媛)

Teaching and Practice of 3D Printing Course for Machinery Majors

ZHU Zhenghong, REN Wangyang， XU Dongzhen

(School of Mechanical Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

This paper analyzes the feasibility of adding 3D printing course in the current teaching activities for machinery majors, and introduces the teaching of theoretical knowledge, the equipment design and manufacture, the model printing and the application effect of 3D printing in the teaching. The result shows that the application effect of 3D printing is significant, and it is helpful for improving the relevant knowledge and skills of students and training their engineering practice ability and innovation ability. The relevant teaching practice can lay a solid foundation for further exploration on the application of 3D printing in the teaching activities.

3D printing; teaching activity; teaching practice; teaching application

2016-05-10

安徽省质量工程项目(2015ckjh003)；合肥工业大学实验设备自制项目(201501)

朱政红(1959-)，女，安徽合肥人，副教授，硕士生导师。

G434

A

1008-3634(2017)01-0126-4.5