高志華 郭君揚(yáng)

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

黨的十八大報(bào)告中提出：科技創(chuàng)新是提高綜合國(guó)力的戰(zhàn)略支撐，必須將其擺在國(guó)家發(fā)展的核心位置。機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。高職機(jī)械教育在國(guó)家大力推進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的時(shí)代召喚面前，必須下大力氣全面激活辦學(xué)活力，創(chuàng)新教育也必將成為高職教學(xué)的主體模式。

3D打印技術(shù)屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，它集成了機(jī)械、控制、激光和材料技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，是一門以逆向工程、CAD/CAM、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程為基礎(chǔ)的應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)習(xí)起點(diǎn)比較高。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)目前已成為高職院校機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)必修課或者公共課程。為了適應(yīng)職業(yè)教育的新變化，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型、技術(shù)技能型人才的要求，切實(shí)將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)的過程，在構(gòu)建該課程的高職教學(xué)內(nèi)容體系時(shí)，應(yīng)主要以夠用為主，注重動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)，另外應(yīng)植入機(jī)械類相關(guān)學(xué)科的技術(shù)技能，通過各種案例提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

一、“3D打印技術(shù)”課程特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過分層疊加的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)，國(guó)外稱之為增材制造。它的成型原理是把任何一個(gè)復(fù)雜物體像微積分一樣分成無數(shù)層，現(xiàn)在的工藝是每層一般0.1mm左右厚度，把三維形狀轉(zhuǎn)化為二維，這樣不管多復(fù)雜的外形，二維也只是畫圖問題。把這些二維圖形層層疊加起來就是三維實(shí)體。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是能直接從數(shù)字模型數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，無需機(jī)械加工或模具。從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。

3D打印可以在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，不僅可以打印模型、零件，而且還可以打印汽車、房子、服裝、建筑模型、巧克力甜品等。與傳統(tǒng)制造（減法制造）比，3D打印最大的區(qū)別是加法制造（增材制造）。傳統(tǒng)制造主要是批量化、規(guī)格化生產(chǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)受模具、機(jī)床、工具等限制，屬于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)。而3D打印是個(gè)性化定制化生產(chǎn)，數(shù)字化制造，設(shè)計(jì)即生產(chǎn)，只要有打印機(jī)和材料，在家就可以打印所需要的東西，還可以在網(wǎng)上定制所需產(chǎn)品。

3D打印成型過程比較容易。首先在計(jì)算機(jī)中通過三維設(shè)計(jì)軟件完成實(shí)體的三維建模，再利用分層軟件將三維模型做切片處理，生成3D打印機(jī)可以讀取的格式文件，使用軟件不同文件格式不同（一般為STL格式文件），最后將文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中即可逐層打印三維實(shí)體模型。3D打印成型過程如圖1所示。

圖1 3D打印成型過程

二、“3D打印技術(shù)”課程融入機(jī)械類創(chuàng)新教育的教學(xué)實(shí)施

機(jī)械類相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，“3D打印技術(shù)”課程應(yīng)該緊扣科技發(fā)展前沿、教學(xué)改革成果和人才培養(yǎng)需求編寫，以滿足高職院校培養(yǎng)社會(huì)急需應(yīng)用型人才的教學(xué)要求。應(yīng)該通過與企業(yè)、行業(yè)專家和高校教師等相關(guān)人員共同論證，明確3D打印技術(shù)人才的基本要求。以職業(yè)素質(zhì)訓(xùn)練與技術(shù)實(shí)訓(xùn)為主線，將各個(gè)項(xiàng)目貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)能力項(xiàng)目化、項(xiàng)目階段化、階段目標(biāo)化、目標(biāo)創(chuàng)新化，突出3D打印行業(yè)主流技術(shù)培養(yǎng)，拓展行業(yè)知識(shí)。每個(gè)項(xiàng)目課程除了訓(xùn)練學(xué)生基本能力外，安排創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分，并通過打印方式體現(xiàn)自己的作品。采取遞進(jìn)式設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目和學(xué)習(xí)任務(wù)，明確所需知識(shí)、能力和素質(zhì)要求，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的選取，采用項(xiàng)目教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)方法，突出能力培養(yǎng)，由淺入深指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)制作。具體實(shí)施如下：

1．“3D打印技術(shù)”課程中融入逆向設(shè)計(jì)創(chuàng)新內(nèi)容

逆向設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力相輔相成。逆向設(shè)計(jì)是指對(duì)已有的產(chǎn)品零件或原型，利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確、快速地掃描出實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)這些坐標(biāo)點(diǎn)通過三維幾何建模方法進(jìn)行三維模型重建的過程，它屬于產(chǎn)品導(dǎo)向，逆向設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單地再現(xiàn)產(chǎn)品原型，而是技術(shù)消化、吸收，進(jìn)一步改進(jìn)、提高產(chǎn)品原型的重要技術(shù)手段，是產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要途徑，目前已成為航空、航天、汽車、船舶、模具等工業(yè)領(lǐng)域最重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法之一。

3D打印技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)加工的一種手段，創(chuàng)新階段主要在前期設(shè)計(jì)，在學(xué)生已經(jīng)具備正向設(shè)計(jì)的（機(jī)械類三維軟件如Soliworks、UG等）基礎(chǔ)上，可以通過制定一系列產(chǎn)品原型，根據(jù)市場(chǎng)需求編制設(shè)計(jì)要求，采用逆向設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品原型重建，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成通過3D打印實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工，讓學(xué)生體會(huì)設(shè)計(jì)的滿足感。逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例見表1。

表1 逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例

全國(guó)職業(yè)院校技能大賽一直都是先進(jìn)技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)。近年來，逆向建模設(shè)計(jì)相關(guān)賽項(xiàng)也在全國(guó)職業(yè)院校技能大賽中占據(jù)很大比例?！耙再惔俳?，以賽促學(xué)”是全國(guó)職業(yè)技能大賽的辦賽理念，實(shí)際教學(xué)中根據(jù)大賽引領(lǐng)，將逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)與3D打印相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生掌握高新技術(shù)。

2．“3D打印技術(shù)”課程中融入美學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容

3D打印技術(shù)不僅在機(jī)械類行業(yè)中應(yīng)用廣泛，由于其復(fù)雜產(chǎn)品制造能力，能夠拓寬工業(yè)、產(chǎn)品、藝術(shù)設(shè)計(jì)的可行性邊界，人們可以直接制造出大量形狀奇異、結(jié)構(gòu)精細(xì)、具有美學(xué)意義的特殊形體，因此在服裝、藝術(shù)品、家具家飾等美學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。而3D打印產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是要賦予產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩，給人良好的視覺感受。課程中融入美學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)是必要的。課程中可以設(shè)置一兩個(gè)章節(jié)講解美學(xué)設(shè)計(jì)、色彩調(diào)配、人機(jī)工程學(xué)等知識(shí)，選取相關(guān)案例，學(xué)生根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維模型，再對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品情景設(shè)定、色彩渲染、設(shè)計(jì)展板，培養(yǎng)學(xué)生較好的人文、藝術(shù)和科學(xué)的綜合運(yùn)用能力，新產(chǎn)品的研究和開發(fā)能力，以及對(duì)美的鑒賞和創(chuàng)造能力。設(shè)計(jì)案例見表2。

表2 3D打印美學(xué)設(shè)計(jì)案例

3．“3D打印技術(shù)”課程中融入機(jī)械設(shè)計(jì)裝配驗(yàn)證內(nèi)容

當(dāng)前高職院校機(jī)械類課程開設(shè)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程在教學(xué)安排上主要側(cè)重理論教學(xué)，隨后安排的裝配驗(yàn)證課程也主要是相關(guān)軟件教學(xué)。課程結(jié)束后學(xué)生一般都會(huì)使用CAD軟件設(shè)計(jì)常用零件和機(jī)構(gòu)，教學(xué)內(nèi)容主要為三通、法蘭、泵體、軸承、閥體等典型機(jī)械零件，一般還會(huì)安排1到2周設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)周，要求學(xué)生根據(jù)給定條件設(shè)計(jì)相關(guān)三維零件。學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)往往通過想象設(shè)計(jì)零部件的尺寸、裝配，繪制裝配圖和零件圖，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。設(shè)計(jì)完成后，只能通過軟件模擬裝配相關(guān)零部件，缺乏直觀體驗(yàn)，也不清楚老師指出其錯(cuò)誤之處原因何在。這樣，后續(xù)開設(shè)的“3D打印技術(shù)”課程就可以利用學(xué)生已有的建?；A(chǔ)，引入從易到難、貼近生產(chǎn)實(shí)際的項(xiàng)目式教學(xué)模式，按照“產(chǎn)品分析—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—三維建模—產(chǎn)品實(shí)物—實(shí)物測(cè)量—模型修改”的流程完成典型的工程項(xiàng)目。

學(xué)生可以根據(jù)設(shè)定條件，利用已學(xué)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”等設(shè)計(jì)知識(shí)，使用三維軟件完成產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)，并將建模文件經(jīng)過分層切片后導(dǎo)入3D打印機(jī)中，按照模型要求設(shè)置3D打印參數(shù)，打印自己設(shè)計(jì)的三維實(shí)物模型（如圖2所示）。打印完成后，學(xué)生需要利用公差與配合相關(guān)知識(shí)和技能，使用測(cè)量工具測(cè)量打印的模型，判斷打印件在尺寸、形狀、位置、裝配、配合等方面是否符合公差要求。如果裝配不上或者尺寸超差，學(xué)生需要分析原因，在軟件中改進(jìn)模型尺寸及位置，再次打印三維實(shí)體模型，然后再次判斷模型是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求成功裝配。設(shè)計(jì)、修改過程一般時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生一般需要重復(fù)才能打印出合適的產(chǎn)品。由此可以使學(xué)生了解真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。

圖2 學(xué)生設(shè)計(jì)的方塊陀螺儀

4．“3D打印技術(shù)”課程中融入智能創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容

現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)發(fā)展正在向智能制造方向發(fā)展，“3D打印技術(shù)”課程設(shè)置中，可以結(jié)合創(chuàng)新理念和前沿科技，引導(dǎo)學(xué)生打造具有社會(huì)意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值、實(shí)現(xiàn)一定創(chuàng)新功能的智能硬件或軟件，利用機(jī)械加工、快速原型制造、電子工藝等技術(shù)，完成設(shè)計(jì)并制作出可演示的產(chǎn)品原型。如運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、行走機(jī)器人、可移動(dòng)的小車等智能仿真機(jī)構(gòu)。鼓勵(lì)學(xué)生在課下查閱資料，提出創(chuàng)意思路，制定總體解決方案、完成三維建模設(shè)計(jì)、3D打印機(jī)構(gòu)各零部件，最后完成裝配與調(diào)試。整個(gè)過程中，教師可提出指導(dǎo)意見幫助學(xué)生改進(jìn)機(jī)構(gòu)，提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。項(xiàng)目完成后，教師根據(jù)設(shè)計(jì)、打印過程中學(xué)生的參與程度及表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于設(shè)計(jì)新穎、完成情況較好的同學(xué)給予鼓勵(lì)，展示其作品，與其他學(xué)生學(xué)習(xí)交流。

5．“3D打印技術(shù)”課程中融入機(jī)械成型加工內(nèi)容

在機(jī)械類專業(yè)課如“機(jī)械制造基礎(chǔ)”和“材料成型工藝”的教學(xué)，涉及到很多材料的特性、材料成型工藝等較抽象的理論內(nèi)容，學(xué)生理解起來難度很大。3D打印技術(shù)的常用工藝——FDM（熔融沉積成型）實(shí)質(zhì)是熱塑性高分子樹脂的熔融沉積成型的過程，常用到的打印材料為ABS和PLA塑料。通過3D打印技術(shù)學(xué)習(xí)，學(xué)生自行制備一些個(gè)性化的造型塑件的同時(shí)，向?qū)W生講解塑料成型特性、成型工藝、塑料成型溫度與塑件成型等專業(yè)知識(shí)，并適時(shí)讓學(xué)生思考影響和控制塑料熔體流動(dòng)性能的影響因素有哪些等問題，通過3D打印實(shí)物，實(shí)時(shí)解決問題，引導(dǎo)學(xué)生利用課堂所學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行解決。見表3。

表3 3D打印塑料成型工藝案例

三、結(jié)語

綜上所述，“3D打印技術(shù)”課程在高職院校機(jī)械類專業(yè)中開設(shè)，是開展創(chuàng)新教育的重要手段。課程開設(shè)過程中，不僅要求學(xué)生掌握3D打印相關(guān)知識(shí)技能，更要注重設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，引入先進(jìn)設(shè)計(jì)技能，增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，會(huì)有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效果。從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和分析問題、解決問題的能力，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]郭競(jìng)杰,等.《3D打印技術(shù)》課程在高職機(jī)械類創(chuàng)新教育中的研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2016(30):167-169.

[2]徐 鼐,等.3D打印技術(shù)在塑料加工成型及模具設(shè)計(jì)課程群教學(xué)改革中的應(yīng)用探索[J].科教文匯,2015(21):58-60.

[3]高 奇,快速成型技術(shù)實(shí)訓(xùn)在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版).2013(15):87-88.

[4]周 博,董麗媛.3D打印在高校教學(xué)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程師,2015(11):175-176.

[5]謝冬冬.基于3D打印技術(shù)的機(jī)械教學(xué)模型制作研究[J].機(jī)械工程師,2017(5):71-72.