機械專業(yè)教學FDM3D打印技術實踐

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【摘要】傳統(tǒng)機械專業(yè)教學課程中，教師在面對復雜結構機械零件的相貫線、截交線等難點時，只能通過平面化、三維教具進行講解，教學效果受到極大的影響。隨著3D打印技術的漸趨成熟，越來越多的機械教具嘗試使用3D打印技術制造，極大的降低了教具成本，本文旨在以更具成本、效率優(yōu)勢的fdm3d打印技術為著手點，對其在機械專業(yè)教學中的應用展開探討，以期改善機械專業(yè)教學質量，提升學生學習興趣。

【關鍵詞】FDM3D打印技術；機械教學；成本

20世紀80年代，3D打印技術應運而生，作為高新制造技術，可以擺脫傳統(tǒng)機床、夾具的限制，制造出任意結構與形狀的零部件，也被稱之為快速成型技術[1]。機械專業(yè)作為理論與實踐相結合的學科，若僅僅采取多媒體技術展開教學，不利于學生的學習理解與空間想象能力的鍛煉，為此，在教學中需要使用大量的三維立體模型已經成為各大高校的一致訴求。利用FDM3D打印技術的成本與效率優(yōu)勢，能夠打破傳統(tǒng)教具的桎梏，以此提升教學質量，激發(fā)學生的學習積極性。

13D打印技術概括

3D打印技術，即增材制造，利用CAD設計數據進行的材料逐層累加，最終制造出實體零件的一門技術。與傳統(tǒng)材料去除技術相比，具有自下而上材料累計的特點[2]。目前，3D打印主流技術有噴墨印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結、分層實體制造以及立體光刻等等，不同的技術有著不同的適用場景與優(yōu)勢，現對部分打印技術的特征予以總結，具體見表1。其中，FDM3D打印技術主要利用加熱的熱熔型材料層層堆積，以此獲取三維實體，一般來說，FDM3D打印精度可以達到0.1mm，可滿足各類教具的要求。同時，由于打印成本較低，且效率中等，適用于絕大部分學校的機械專業(yè)教具需求。FDM3D打印技術的材料大多采用聚乳酸（PLA），其教具強度與傳統(tǒng)橡膠、塑料等幾無差異，且該材料兼具綠色可降解的優(yōu)勢，能夠避免廢棄教具所帶來的環(huán)境污染。

2FDM3D打印技術對機械制圖的影響

2.1FDM3D打印技術與三維圖形

作為立體平面印刷術的FDM3D打印技術，可以從計算機圖像制作完成后再展開三維打印。首先，輸入三維電子數據，通過面片網格在STL中生成零件，即快速成型。AutodeskInventor軟件是當下較為熱門的三維可視化實體模擬軟件，具有較高的便捷性與性能，可以極大的簡化機械設計效率，只要輸入Inventor零件，并設定輸入選項，便可以在FDM3D打印機中快速完成想要的零部件[3]。

2.2三維建模與二維制圖的區(qū)別

近年來，以Autodesk公司研發(fā)的AutoCAD二維繪圖軟件的應用尤為廣泛，在我國機械專業(yè)教學中扮演著重要角色，但是，這一傳統(tǒng)制圖思路依舊局限于平面，無法自由控制視圖與視圖的關系，比如改變配件圖、零件圖中的某一局部結構，視圖之間依舊是固定的，無法自動更新。相反，通過FDM3D打印技術制造出的三維模型，可以準確表達物體的幾何位置及輪廓信息，并體現幾何關系的拓撲關系，若某一局部結構改變，也可以通過調整STL文件，來實現對零部件制造的更改，總體來說更加快速便捷。

3FDM3D打印技術在機械專業(yè)教學中的實踐探討

機械專業(yè)對學生的零件設計加工、空間想象能力要求較高，使用FDM3D打印技術制造教具，可以讓空間想象能力轉變?yōu)榱慵嵨铮寣W生有更好的學習體驗。

3.1可視化機械設計

機械專業(yè)教學中，會要求學生完成一定量的夾具設計或課程設計，學生在展開作品形狀設計時，會頻繁使用到CAXA、AutoCAD等二維設計軟件以及Solidworks、UG、Pro/E等三維設計軟件，但使用以上軟件的弊端在于，缺乏形狀模型的直觀性，及其容易漏掉作品的細節(jié)。而且，由于傳統(tǒng)成品制造方法的周期較長，且各方面消耗較大，會影響到學生的學習積極性。利用FDM3D打印技術，能夠讓學生在短期內將作品打印為實體模型，使得自己的機械設計可視化，便于發(fā)現作品設計中存在的不足，并在第一時間進行調整。與此同時，教師也可以根據學生打印出來的設計模型予以指導，從而避免后續(xù)的反復加工，極大的縮短周期，確保加工制造的成品是學生與教師均認可的產品。

3.2三維教學演示

與其他學科不同，機械專業(yè)對學生的動手能力要求較高，特別是裝配件、制造配件時，傳統(tǒng)的二維教學演示方式，無疑為學生學習帶來一定障礙，比如《機械設計》、《機械原理》等課程。但是，采用FDM3D打印技術，在軸系結構設計與傳動機構等知識點處展示三維模型，可以極大的加深學生印象，更好的掌握知識點，并提高課堂效果。3.3制造課堂教具毫無疑問，FDM3D打印技術對課程教具的改革作用極大，對于較為復雜的三維模型、刀具模型、閥體模型等，可以通過FDM3D打印技術來制造。而且，隨著專業(yè)課程的不斷更新，傳統(tǒng)教具與課程內容會存在不匹配的問題，通過FDM3D打印技術，自行制造教具，必要時可讓學生參與其中，很好的解決該問題，這種學習過程要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)填鴨式教學過程。

3.4激發(fā)學生創(chuàng)作靈感

運用FDM3D打印機，還可以組織學生設計鉸鏈機構、傳動軸等，或是讓學生自行設計作品，并展開打印，這一過程會極大的調動學生的主觀能動性，激發(fā)其設計加工的興趣，并愿意通過FDM3D打印機印證自己的機械設計成果，從某種意義上來講，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才也大有裨益。

4結論

綜上所述，FDM3D打印技術能夠降低機械專業(yè)教具的成本，降低學生理解機械專業(yè)知識的困難，對機械教學輔助屬于優(yōu)異之列，值得推廣應用。

參考文獻

[1]顧祎娜,朱方聞.淺析3D打印技術及其在機械專業(yè)教學中的應用[J].天津職業(yè)院校聯合學報,2016,18(12):76.

[2]彭志強.3D打印技術在高職機械專業(yè)教學中的應用[J].湖南鐵路科技職業(yè)技術學院學報,2014(1):13.

[3]李青云,郭紀斌,梁旭坤.3D打印產品后處理工藝在專業(yè)教學中的應用探索[J].湖北農機化,2019(20):69.

作者：郭美君 單位：遼寧工程職業(yè)學院