“3D打印技术”课程在高职机械类创新教育中的研究与实践

高志华 郭君扬

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000）

党的十八大报告中提出：科技创新是提高综合国力的战略支撑，必须将其摆在国家发展的核心位置。机械制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。高职机械教育在国家大力推进“大众创业、万众创新”的时代召唤面前，必须下大力气全面激活办学活力，创新教育也必将成为高职教学的主体模式。

3D打印技术属于先进制造技术领域，它集成了机械、控制、激光和材料技术等现代科学技术，是一门以逆向工程、CAD/CAM、机械设计基础等课程为基础的应用性极强的学科，学习起点比较高。随着3D打印技术的发展，3D打印技术目前已成为高职院校机械类专业的专业必修课或者公共课程。为了适应职业教育的新变化，培养高素质应用型、创新型、技术技能型人才的要求，切实将创新创业教育融入人才培养的过程，在构建该课程的高职教学内容体系时，应主要以够用为主，注重动手操作能力的培养，另外应植入机械类相关学科的技术技能，通过各种案例提升学生创新意识和创新能力。

一、“3D打印技术”课程特点及优势

3D打印技术，即快速成型技术，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过分层叠加的方式来构造三维物体的技术，国外称之为增材制造。它的成型原理是把任何一个复杂物体像微积分一样分成无数层，现在的工艺是每层一般0.1mm左右厚度，把三维形状转化为二维，这样不管多复杂的外形，二维也只是画图问题。把这些二维图形层层叠加起来就是三维实体。

3D打印技术最突出的优点是能直接从数字模型数据中生成任何形状的物体，无需机械加工或模具。从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

3D打印可以在多个领域得到应用，不仅可以打印模型、零件，而且还可以打印汽车、房子、服装、建筑模型、巧克力甜品等。与传统制造（减法制造）比，3D打印最大的区别是加法制造（增材制造）。传统制造主要是批量化、规格化生产，产品设计受模具、机床、工具等限制，属于劳动力密集型产业。而3D打印是个性化定制化生产，数字化制造，设计即生产，只要有打印机和材料，在家就可以打印所需要的东西，还可以在网上定制所需产品。

3D打印成型过程比较容易。首先在计算机中通过三维设计软件完成实体的三维建模，再利用分层软件将三维模型做切片处理，生成3D打印机可以读取的格式文件，使用软件不同文件格式不同（一般为STL格式文件），最后将文件导入到3D打印机中即可逐层打印三维实体模型。3D打印成型过程如图1所示。

图1 3D打印成型过程

二、“3D打印技术”课程融入机械类创新教育的教学实施

机械类相关专业人才培养方案中，“3D打印技术”课程应该紧扣科技发展前沿、教学改革成果和人才培养需求编写，以满足高职院校培养社会急需应用型人才的教学要求。应该通过与企业、行业专家和高校教师等相关人员共同论证，明确3D打印技术人才的基本要求。以职业素质训练与技术实训为主线，将各个项目贯穿于整个教学过程中，实现能力项目化、项目阶段化、阶段目标化、目标创新化，突出3D打印行业主流技术培养，拓展行业知识。每个项目课程除了训练学生基本能力外，安排创新设计部分，并通过打印方式体现自己的作品。采取递进式设计学习项目和学习任务，明确所需知识、能力和素质要求，进行教学内容的选取，采用项目教学、任务驱动等教学方法，突出能力培养，由浅入深指导学生进行项目开发制作。具体实施如下：

1．“3D打印技术”课程中融入逆向设计创新内容

逆向设计与创新能力相辅相成。逆向设计是指对已有的产品零件或原型，利用三维数字化测量设备，准确、快速地扫描出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法进行三维模型重建的过程，它属于产品导向，逆向设计不是简单地再现产品原型，而是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段，是产品创新开发的重要途径，目前已成为航空、航天、汽车、船舶、模具等工业领域最重要的产品设计方法之一。

3D打印技术只是实现加工的一种手段，创新阶段主要在前期设计，在学生已经具备正向设计的（机械类三维软件如Soliworks、UG等）基础上，可以通过制定一系列产品原型，根据市场需求编制设计要求，采用逆向设计方法对产品原型重建，并根据设计要求进行产品创新，发挥学生创新设计能力，创新设计完成通过3D打印实现产品加工，让学生体会设计的满足感。逆向创新设计案例见表1。

表1 逆向创新设计案例

全国职业院校技能大赛一直都是先进技术的风向标。近年来，逆向建模设计相关赛项也在全国职业院校技能大赛中占据很大比例。“以赛促教，以赛促学”是全国职业技能大赛的办赛理念，实际教学中根据大赛引领，将逆向创新设计与3D打印相结合，培养学生掌握高新技术。

2．“3D打印技术”课程中融入美学设计内容

3D打印技术不仅在机械类行业中应用广泛，由于其复杂产品制造能力，能够拓宽工业、产品、艺术设计的可行性边界，人们可以直接制造出大量形状奇异、结构精细、具有美学意义的特殊形体，因此在服装、艺术品、家具家饰等美学领域也得到了广泛应用。而3D打印产品的设计，是要赋予产品材料、结构、形态、色彩，给人良好的视觉感受。课程中融入美学设计相关知识是必要的。课程中可以设置一两个章节讲解美学设计、色彩调配、人机工程学等知识，选取相关案例，学生根据任务设计产品结构三维模型，再对设计产品情景设定、色彩渲染、设计展板，培养学生较好的人文、艺术和科学的综合运用能力，新产品的研究和开发能力，以及对美的鉴赏和创造能力。设计案例见表2。

表2 3D打印美学设计案例

3．“3D打印技术”课程中融入机械设计装配验证内容

当前高职院校机械类课程开设的“机械设计基础”课程在教学安排上主要侧重理论教学，随后安排的装配验证课程也主要是相关软件教学。课程结束后学生一般都会使用CAD软件设计常用零件和机构，教学内容主要为三通、法兰、泵体、轴承、阀体等典型机械零件，一般还会安排1到2周设计实训周，要求学生根据给定条件设计相关三维零件。学生在设计时往往通过想象设计零部件的尺寸、装配，绘制装配图和零件图，达到设计目的。设计完成后，只能通过软件模拟装配相关零部件，缺乏直观体验，也不清楚老师指出其错误之处原因何在。这样，后续开设的“3D打印技术”课程就可以利用学生已有的建模基础，引入从易到难、贴近生产实际的项目式教学模式，按照“产品分析—结构设计—三维建模—产品实物—实物测量—模型修改”的流程完成典型的工程项目。

学生可以根据设定条件，利用已学的“机械设计基础”等设计知识，使用三维软件完成产品三维模型设计，并将建模文件经过分层切片后导入3D打印机中，按照模型要求设置3D打印参数，打印自己设计的三维实物模型（如图2所示）。打印完成后，学生需要利用公差与配合相关知识和技能，使用测量工具测量打印的模型，判断打印件在尺寸、形状、位置、装配、配合等方面是否符合公差要求。如果装配不上或者尺寸超差，学生需要分析原因，在软件中改进模型尺寸及位置，再次打印三维实体模型，然后再次判断模型是否达到设计要求成功装配。设计、修改过程一般时间较长，学生一般需要重复才能打印出合适的产品。由此可以使学生了解真实产品设计过程。

图2 学生设计的方块陀螺仪

4．“3D打印技术”课程中融入智能创新产品设计内容

现代机械制造业发展正在向智能制造方向发展，“3D打印技术”课程设置中，可以结合创新理念和前沿科技，引导学生打造具有社会意义和产业价值、实现一定创新功能的智能硬件或软件，利用机械加工、快速原型制造、电子工艺等技术，完成设计并制作出可演示的产品原型。如运动机械手、行走机器人、可移动的小车等智能仿真机构。鼓励学生在课下查阅资料，提出创意思路，制定总体解决方案、完成三维建模设计、3D打印机构各零部件，最后完成装配与调试。整个过程中，教师可提出指导意见帮助学生改进机构，提高机构设计合理性。项目完成后，教师根据设计、打印过程中学生的参与程度及表现进行评分。对于设计新颖、完成情况较好的同学给予鼓励，展示其作品，与其他学生学习交流。

5．“3D打印技术”课程中融入机械成型加工内容

在机械类专业课如“机械制造基础”和“材料成型工艺”的教学，涉及到很多材料的特性、材料成型工艺等较抽象的理论内容，学生理解起来难度很大。3D打印技术的常用工艺——FDM（熔融沉积成型）实质是热塑性高分子树脂的熔融沉积成型的过程，常用到的打印材料为ABS和PLA塑料。通过3D打印技术学习，学生自行制备一些个性化的造型塑件的同时，向学生讲解塑料成型特性、成型工艺、塑料成型温度与塑件成型等专业知识，并适时让学生思考影响和控制塑料熔体流动性能的影响因素有哪些等问题，通过3D打印实物，实时解决问题，引导学生利用课堂所学习到的专业知识进行解决。见表3。

表3 3D打印塑料成型工艺案例

三、结语

综上所述，“3D打印技术”课程在高职院校机械类专业中开设，是开展创新教育的重要手段。课程开设过程中，不仅要求学生掌握3D打印相关知识技能，更要注重设计创新能力的培养，引入先进设计技能，增加创新设计模块，会有效提高学生的学习兴趣，提升学习效果。从而进一步培养学生的综合应用能力和分析问题、解决问题的能力，开阔学生视野，提高学生就业竞争力。

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