毛瑋 蔣洪奎

摘要：3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，結(jié)合當(dāng)下較為熱門的三維軟件建模，它可以方便地制造出各種所需要的模型。在機(jī)械原理課程中，動手與實(shí)踐是提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情并加深對知識的理解與應(yīng)用的一種有效方法，而3D打印的實(shí)踐正好可以成為機(jī)械原理課程教學(xué)的實(shí)用工具。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);Solidworks;機(jī)械原理;創(chuàng)新

機(jī)械原理是機(jī)械類專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。當(dāng)前，在機(jī)械原理的課程教學(xué)中普遍存在著教具單一、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性不強(qiáng)等問題。3D（3 Dimensions）打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，若將3D打印技術(shù)運(yùn)用在機(jī)械原理課堂上，結(jié)合Auto CAD、Solidworks等主流工業(yè)軟件對所需的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行設(shè)計(jì)并構(gòu)建數(shù)字模型，通過3D打印機(jī)加工出來。從“無”到“有”的全過程，可以激發(fā)學(xué)生對機(jī)械原理課程學(xué)習(xí)的興趣，并可以更好地理解和掌握課程內(nèi)容。

1.3D打印技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印其本質(zhì)是快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用固體、液體塑料或金屬等可黏合材料，通過熔融沉積成型的方式來建造實(shí)物。3D打印加工技術(shù)跟傳統(tǒng)的制造方法有很大的不同，它可以在不需要磨具或切削加工的情況而采用分層制造和逐層疊加的方法去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。自從有了該技術(shù)，使用者只需要利用CAD設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的3D模型，而以前的數(shù)控制造必須要在有材料的基礎(chǔ)下才可以加工，得到需要的零部件，再經(jīng)過拼裝和焊接等環(huán)節(jié)才能得到成品。3D打印技術(shù)與它相比可以簡化這個(gè)過程，可以不需要模具和原胚，只利用計(jì)算機(jī)軟件制作出來的圖形數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品的加工程序進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)還減少了制造花費(fèi)的時(shí)間，對生產(chǎn)效率有了很大地提高。

3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械原理課堂下將會有以下優(yōu)勢：

1.1充分利用軟件技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)的普及，軟件技術(shù)在當(dāng)下發(fā)展迅速，3D打印技術(shù)也離不開軟件技術(shù)，利用當(dāng)下較為熱門的軟件，如Solidworks，Auto CAD等CAD軟件可以有效地幫助我們實(shí)現(xiàn)二維分析、三維建模等功能。

1.2制作直觀的教學(xué)用具

目前，教師在使用語言和圖片講述教學(xué)內(nèi)容時(shí)，使用的教具多為機(jī)械原理教學(xué)展柜，該教具內(nèi)容單一，學(xué)生只能通過觀察的方式去理解各類機(jī)構(gòu)，并不能有效地理解教師所講授的知識點(diǎn)。而學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程的目的就是在理解的基礎(chǔ)上對各類機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，此類教具無法幫助學(xué)生應(yīng)用與設(shè)計(jì)。例如，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，學(xué)生只能通過教具理解機(jī)構(gòu)的運(yùn)作方式，并不能有效地學(xué)會凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在通過3D打印，讓同學(xué)自己通過三維軟件自己設(shè)計(jì)出凸輪，再通過3D打印呈現(xiàn)出來，即新穎又直觀，彌補(bǔ)以前課程看不懂、聽不明白的劣勢。

2.3D打印技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用方法

本文利用“反轉(zhuǎn)法”對盤形凸輪進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

凸輪機(jī)構(gòu)的基本任務(wù)就是根據(jù)工作要選定合適的凸輪機(jī)構(gòu)，按照選定的推桿運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線。

已知設(shè)計(jì)的凸輪為對心直動尖頂推桿盤形凸輪，基圓半徑為40mm，凸輪按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，從動桿的位移規(guī)律為：

拋開傳統(tǒng)的課程教學(xué)中用尺規(guī)作圖，現(xiàn)將3D打印技術(shù)運(yùn)用到課程教學(xué)中，具體如下：

2.1畫出凸輪的傳動行程圖

以橫坐標(biāo)為凸輪轉(zhuǎn)角6，縱坐標(biāo)為從動桿的位移距離s，利用Auto CAD作出傳動桿的行程圖，如圖1所示。

2.2繪制凸輪輪廓曲線

根據(jù)凸輪的轉(zhuǎn)角于傳動桿的位移距離關(guān)系圖，利用AutoCAD進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線繪制，先繪制出凸輪基圓，截取每個(gè)等分點(diǎn)的長度旋轉(zhuǎn)其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，用直線將等加速轉(zhuǎn)角內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)依次連接，再利用PODIT指令將直線擬合成曲線，這就是等加速角的輪廓曲線，而休止角處的輪廓曲線為一段等曲率的圓弧，如圖2所示。

2.3繪制凸輪三維模型及打印

將凸輪的輪廓提取出來，另存為通用度較高的DXF格式Auto CAD圖形交換文件。再將DXF文件在Solidworks內(nèi)導(dǎo)入，在Solidworks中導(dǎo)入的凸輪的輪廓曲線將以草圖的形式進(jìn)行儲存，再通過拉伸草圖生成凸輪的三維模型，如圖3所示。在Solidworks內(nèi)另存為STL二進(jìn)制文件，將STL二進(jìn)制文件導(dǎo)入3D打印軟件中設(shè)置打印參數(shù)后生成GSD文件進(jìn)行3D打印。再利用數(shù)據(jù)線或USB設(shè)備將GSD文件傳輸給3D打印機(jī)打印出模型，再將從動件，機(jī)架等零部件利用Solidworks與Auto CAD進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完后也進(jìn)行3D打印，零部件全部打印完畢后進(jìn)行裝配（不同廠家的3D打印機(jī)所使用的3D打印軟件可能有所不同，操作方法也可能略微的差距）。國內(nèi)市場上所出售的3D打印機(jī)精度均可達(dá)到0.05mm，可以滿足極限偏差中精密級的加工精度要求。

3D打印技術(shù)還可以應(yīng)用在齒輪設(shè)計(jì)、四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及其他常用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。在課程教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，既可以脫離傳統(tǒng)教具的限制，節(jié)省成本，又可以讓學(xué)生真正地掌握機(jī)械原理的核心內(nèi)容。

3.3D打印技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用意義

將3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械原理課程教學(xué)中，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用CAD技術(shù)，通過自己動手繪制凸輪的輪廓曲線，將繁瑣的理論知識通過實(shí)踐的方式呈現(xiàn)出來，這樣增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，也提高了學(xué)生對機(jī)械原理理論知識的掌握。通過結(jié)合不同軟件的特點(diǎn)，使用不同的軟件合作的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即提高了對三維軟件的使用能力，又強(qiáng)化了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。從實(shí)踐效果來看，將3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械原理課程教學(xué)中，主要有以下有點(diǎn)：

3.1實(shí)現(xiàn)了理論課程的可視化教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)中，往往是教師通過尺規(guī)在黑板上作圖或是在多媒體的投影上進(jìn)行演示，將書本的理論知識生硬地搬到課堂上，參數(shù)與數(shù)據(jù)只能通過繁瑣的計(jì)算得出，學(xué)生跟著老師的思路進(jìn)行，很難留有獨(dú)立的空間獨(dú)立思考，而課堂上運(yùn)用了3D打印技術(shù)，將設(shè)計(jì)的凸輪打印出來，讓學(xué)生去實(shí)測凸輪的真實(shí)工作狀態(tài)，這樣實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的可視化。

3.2體現(xiàn)了做中學(xué)的工程教學(xué)理念

按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生若想理解凸輪輪廓的設(shè)計(jì)，需要在課后花較多時(shí)間進(jìn)行練習(xí)，而且知識點(diǎn)容易遺忘，教學(xué)效果不明顯，而實(shí)際上普通高校能課后主動去練習(xí)的學(xué)生所占比例并不多。而讓學(xué)生通過CAD軟件，在課堂上自己跟著教師進(jìn)行凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)，再通過三維建模與3D打印做出模型觀察數(shù)據(jù)，通過動手實(shí)踐的方式將所學(xué)的知識趁熱消化，在課堂上教會學(xué)生如何有效地去設(shè)計(jì)，避免了學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的缺陷。

3.3培養(yǎng)了學(xué)生的綜合工程素質(zhì)

在整個(gè)教學(xué)的過程中，通過開放課堂的形式，讓學(xué)生以小組合作的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)。從位移分析到行程計(jì)算，從凸輪輪廓曲線的繪制到三維模型的建模，最后進(jìn)行3D打印以及記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整個(gè)過程都是工程項(xiàng)目的方式開展，這樣對學(xué)生的工程能力和綜合素質(zhì)的提高都大有裨益。當(dāng)然，在機(jī)械原理課程教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)應(yīng)用，也有不足之處，例如，該課程設(shè)計(jì)不適合于大班化教育，開放性的課堂不易于學(xué)生專注于學(xué)習(xí)以及課堂的管理，對學(xué)生軟件基礎(chǔ)的要求較高等。

4總結(jié)

通過3D打印技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)，能讓學(xué)生自己動手在CAD軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)實(shí)踐，再將三維模型同過3D打印制造成實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生在課堂上的互動，動手實(shí)踐后可以感受新技術(shù)的同時(shí)掌握繁瑣的理論知識。