機(jī)械專業(yè)教學(xué)FDM3D打印技術(shù)實(shí)踐

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【摘要】傳統(tǒng)機(jī)械專業(yè)教學(xué)課程中，教師在面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零件的相貫線、截交線等難點(diǎn)時(shí)，只能通過平面化、三維教具進(jìn)行講解，教學(xué)效果受到極大的影響。隨著3D打印技術(shù)的漸趨成熟，越來越多的機(jī)械教具嘗試使用3D打印技術(shù)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(shù)為著手點(diǎn)，對(duì)其在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用展開探討，以期改善機(jī)械專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】FDM3D打印技術(shù)；機(jī)械教學(xué)；成本

20世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，作為高新制造技術(shù)，可以擺脫傳統(tǒng)機(jī)床、夾具的限制，制造出任意結(jié)構(gòu)與形狀的零部件，也被稱之為快速成型技術(shù)[1]。機(jī)械專業(yè)作為理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科，若僅僅采取多媒體技術(shù)展開教學(xué)，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)理解與空間想象能力的鍛煉，為此，在教學(xué)中需要使用大量的三維立體模型已經(jīng)成為各大高校的一致訴求。利用FDM3D打印技術(shù)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(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

13D打印技術(shù)概括

3D打印技術(shù)，即增材制造，利用CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的材料逐層累加，最終制造出實(shí)體零件的一門技術(shù)。與傳統(tǒng)材料去除技術(shù)相比，具有自下而上材料累計(jì)的特點(diǎn)[2]。目前，3D打印主流技術(shù)有噴墨印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造以及立體光刻等等，不同的技術(shù)有著不同的適用場景與優(yōu)勢，現(xiàn)對(duì)部分打印技術(shù)的特征予以總結(jié)，具體見表1。其中，F(xiàn)DM3D打印技術(shù)主要利用加熱的熱熔型材料層層堆積，以此獲取三維實(shí)體，一般來說，F(xiàn)DM3D打印精度可以達(dá)到0.1mm，可滿足各類教具的要求。同時(shí)，由于打印成本較低，且效率中等，適用于絕大部分學(xué)校的機(jī)械專業(yè)教具需求。FDM3D打印技術(shù)的材料大多采用聚乳酸（PLA），其教具強(qiáng)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(shù)對(duì)機(jī)械制圖的影響

2.1FDM3D打印技術(shù)與三維圖形

作為立體平面印刷術(shù)的FDM3D打印技術(shù)，可以從計(jì)算機(jī)圖像制作完成后再展開三維打印。首先，輸入三維電子數(shù)據(jù)，通過面片網(wǎng)格在STL中生成零件，即快速成型。AutodeskInventor軟件是當(dāng)下較為熱門的三維可視化實(shí)體模擬軟件，具有較高的便捷性與性能，可以極大的簡化機(jī)械設(shè)計(jì)效率，只要輸入Inventor零件，并設(shè)定輸入選項(xiàng)，便可以在FDM3D打印機(jī)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(yīng)用尤為廣泛，在我國機(jī)械專業(yè)教學(xué)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(guān)系，比如改變配件圖、零件圖中的某一局部結(jié)構(gòu)，視圖之間依舊是固定的，無法自動(dòng)更新。相反，通過FDM3D打印技術(shù)制造出的三維模型，可以準(zhǔn)確表達(dá)物體的幾何位置及輪廓信息，并體現(xiàn)幾何關(guān)系的拓?fù)潢P(guān)系，若某一局部結(jié)構(gòu)改變，也可以通過調(diào)整STL文件，來實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件制造的更改，總體來說更加快速便捷。

3FDM3D打印技術(shù)在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐探討

機(jī)械專業(yè)對(duì)學(xué)生的零件設(shè)計(jì)加工、空間想象能力要求較高，使用FDM3D打印技術(shù)制造教具，可以讓空間想象能力轉(zhuǎn)變?yōu)榱慵?shí)物，讓學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.1可視化機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械專業(yè)教學(xué)中，會(huì)要求學(xué)生完成一定量的夾具設(shè)計(jì)或課程設(shè)計(jì)，學(xué)生在展開作品形狀設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)頻繁使用到CAXA、AutoCAD等二維設(shè)計(jì)軟件以及Solidworks、UG、Pro/E等三維設(shè)計(jì)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(xì)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(huì)影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。利用FDM3D打印技術(shù)，能夠讓學(xué)生在短期內(nèi)將作品打印為實(shí)體模型，使得自己的機(jī)械設(shè)計(jì)可視化，便于發(fā)現(xiàn)作品設(shè)計(jì)中存在的不足，并在第一時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。與此同時(shí)，教師也可以根據(jù)學(xué)生打印出來的設(shè)計(jì)模型予以指導(dǎo)，從而避免后續(xù)的反復(fù)加工，極大的縮短周期，確保加工制造的成品是學(xué)生與教師均認(rèn)可的產(chǎn)品。

3.2三維教學(xué)演示

與其他學(xué)科不同，機(jī)械專業(yè)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力要求較高，特別是裝配件、制造配件時(shí)，傳統(tǒng)的二維教學(xué)演示方式，無疑為學(xué)生學(xué)習(xí)帶來一定障礙，比如《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械原理》等課程。但是，采用FDM3D打印技術(shù)，在軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)處展示三維模型，可以極大的加深學(xué)生印象，更好的掌握知識(shí)點(diǎn)，并提高課堂效果。3.3制造課堂教具毫無疑問，F(xiàn)DM3D打印技術(shù)對(duì)課程教具的改革作用極大，對(duì)于較為復(fù)雜的三維模型、刀具模型、閥體模型等，可以通過FDM3D打印技術(shù)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(nèi)容會(huì)存在不匹配的問題，通過FDM3D打印技術(shù)，自行制造教具，必要時(shí)可讓學(xué)生參與其中，很好的解決該問題，這種學(xué)習(xí)過程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)過程。

3.4激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作靈感

運(yùn)用FDM3D打印機(jī)，還可以組織學(xué)生設(shè)計(jì)鉸鏈機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等，或是讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)作品，并展開打印，這一過程會(huì)極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)其設(shè)計(jì)加工的興趣，并愿意通過FDM3D打印機(jī)印證自己的機(jī)械設(shè)計(jì)成果，從某種意義上來講，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才也大有裨益。

4結(jié)論

綜上所述，F(xiàn)DM3D打印技術(shù)能夠降低機(jī)械專業(yè)教具的成本，降低學(xué)生理解機(jī)械專業(yè)知識(shí)的困難，對(duì)機(jī)械教學(xué)輔助屬于優(yōu)異之列，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]顧祎娜,朱方聞.淺析3D打印技術(shù)及其在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào),2016,18(12):76.

[2]彭志強(qiáng).3D打印技術(shù)在高職機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014(1):13.

[3]李青云,郭紀(jì)斌,梁旭坤.3D打印產(chǎn)品后處理工藝在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2019(20):69.

作者：郭美君 單位：遼寧工程職業(yè)學(xué)院