时间：2020-12-18 10:15:57 所属分类：智能科学技术 浏览量:
3D打印技术是借助于计算机、激光、数控和精密传动等先进的现代手段，根据在计算机相关软件上建立三维模型，能在短时间内直接制造产品或模型的快速成型制造技术(RapidPrototypingManufac-turing，RPM)。该技术使设计师能够以直观方式检验设计效果，改善设计过
3D打印技术是借助于计算机、激光、数控和精密传动等先进的现代手段，根据在计算机相关软件上建立三维模型，能在短时间内直接制造产品或模型的快速成型制造技术(RapidPrototyping&Manufac-turing，RP&M)。该技术使设计师能够以直观方式检验设计效果，改善设计过程中的人机交流，缩短产品设计的周期，加快产品更新换代的速度。目前工业上比较广泛的方法有：光固化成型法(StereolithographyApparatus，SLA)、叠层实体制造法(LaminatedObjectManufacturing，LOM)、选择性激光烧结法(SelectiveLaserSintering，SLS)以及熔融沉积制造法(FusedDepositionManufacturing，FDM)等等。笔者引入机械制图课程教学中采用FDM方法。该原理是将实体模型采用一定的算法，以最优的方式分为若干薄层，以粉末状金属或高分子材料，逐层叠加粘合最终生成实物[1]。
1机械制图课程的特点
机械制图是机电、数控、汽车维修、材料成型等专业的一门必修核心基础课程。通过寻找点、线、面的投影规律，掌握基本体、切割体、组合体、零件图和装配图的图样表达方法，旨在培养学生的制图能力、培养三维空间的思维能力，并能将理论知识与实践相结合[2]。笔者经过十余年的教学实践发现，机械制图这门课程绝大多数开设在大学第一学期，许多学生还未从高中学习方式完成转变，专业基础还未建立，空间想象能力较为薄弱。加之工程图样以三视图进行表达，使得学生难于理解，尤其在截交线、相贯线及复杂物体的内部结构上更加难以想象物体的真实结构。同时还要求掌握机械原理知识、测绘实践、国家标准和相关规定等，造成课程相对比较枯燥乏味，同时学习工作量大于其他专业课程，学生们的学习积极性不高，导致机械制图课程的教学效果不尽人意。针对传统教学方法的不足，笔者围绕机械制图课程的教学目标，将3D打印技术融入教学过程，结合三维建模及三维打印的教学方法，可激发学生的学习兴趣，提高学生的空间想象能力，提高学生的实践操作能力，达到令人满意的教学效果。
23D打印技术在机械制图课程中的应用
机械制图课程传统的教学方法，一般依靠教师讲解、示范绘图，结合挂图、图片、绘图工具等手段开展教学。此类静态的教具不能很好的反应出零件的结构、形状、工作原理、运动模式等，而教师在讲解时需要投入更多的精力有时往往不能达到预期效果。另一类传统实物模型教具，由于种类有限，不能反应所有的教学内容，同时购买教具成本较高，也造成教具的局限性。传统教学课堂任务相对单一，学生参与度不够，学生学习后的只能以制图图册、作业等形式交给任课教师，千篇一律，内容单一，学生学以致用的能力提高有限，无法锻炼自主创新设计的能力，不符合当今创新教育、个性化教育理念[3]。为了弥补传统教学手段，在机械制图课堂创新性的引入3D打印技术，主要从以下四个环节实施。
2.1三维建模帮助学生提高空间思维能力
3D打印技术是以数字模型为基础，需要利用绘图软件绘制出模型。一方面从教师角度出发，利用CAD绘图软件将较难理解的三视图转换为容易理解的实体模型，在电脑上旋转构建好的实体模型，从主视、俯视、左视方向给学生一一呈现，并与三视图进行比较，使学生能够直观的看到物体各个方向各个面的细节，利用软件剖切功能，使学生容易看清物体内部结构。通过这种辅助教学手段，激发学生学习兴趣，减轻学生学习难度，培养学生的读图、绘图能力，提高空间想象能力。另一方面从学生角度出发，学生需要打印3D作品，首先要做的事情就是利用CAD绘图软件构建模型，这正是机械制图课程的实践环节。基本要求是能将看到的实物绘制成数字模型，进一步要求学生能够进行不同造型的创新设计，以开发学生的想象力和创意思维。让学生绘制三维模型及动画仿真，对激发学习兴趣，掌握绘图软件起到积极的作用。笔者在授课过程中以三维建模的作业进行比赛，部分学生作业如图1所示：a、b、c图为学生三维建模作品，d图为模型成品打印。学生的学习积极性得到很大提高，取得较好的授课效果。
2.2实物打印有助于检验图纸存在的问题
将数字模型输入到3D打印机中打印，首先进行STL格式转换，此格式用于表示三角形网格的一种文件，要能正确的转换，必须要求模型表面封闭相连。其次，学生建立的三维模型有可能产生缝隙、壁厚过厚或过薄、多余的结构、重复或者不闭合的表面，这些情况均会打印不成功。学生要解决此类问题，必然能够提高绘图能力，检验设计水平，从而有助于培养具有创新意识的人才。教师也可根据出现的问题，给学生进行分析和讲解，对学生理解国家标准及绘图的精确性提出要求，通过实践检验，提高机械制图课程的教学效果。
2.3实物展示有助于学生理解教学难点
建模过程中利用多媒体为载体，给学生展示了三维模型的不同视图效果，但是对于一些难于想象的图样还不足够。此时利用3D打印技术将模型打印出来，展示给学生，使学生能够更加直观的理解相关知识点。如图2(a)所示，以三通为例，让学生理解过渡线、相贯线、截交线以及实实相贯、实虚相贯、虚虚相贯等知识点。图2(b)以齿轮啮合为例，让学生理解齿轮的图样表达方法及齿轮的运动规律。教学过程结合3D打印的教具，将理论教学和实践教学有效结合，提高学生的识图能力，并能反向利用教具测量绘制三视图，达到机械制图的教学目标。
2.4便于培养创新思维和创新能力
机械制图课程是一门理论结合实践的课程，如果偏重理论教学，容易造成学生纸上谈兵，即仅在图纸上进行设计，如果偏重实践教学，当设计不合理时，会造成极大的浪费。3D打印技术从建模到实现模型打印，能够同时兼顾两方面教学，结合创新创业教育检验教学成果，从而发挥教学的有效性[4]。笔者在机械制图实践环节融入创新创业教育，以一定的课时指导学生发挥自身的学习主观能动性，拓展思维，用任务检验课程学习目标是否达成。创新创业教育过程框架如图3所示，教学过程包括教师引导学生调查真实世界要解决的问题，构建解决方案，通过总结思考进行创意设计获得模型，模型实现后进行检验，教师进行必要的分析与评价寻找优化方案，此过程不断循环迭代，提高教育工作者和学习者的创造性。
3结束语
3D打印技术在机械制图课程中的创新应用，不仅是技术工具的创新应用，也是创新教学模式的应用。创新之处在于教师可将建模过程录制为短视频，使学生能够利用课余时间学习;教师可利用三维模型、3D打印实体模型两方面结合作为教具指导学生掌握课程教学目标;教师可利用课程任务作为创新创业教育模块，使得学生真正能够学以致用，激发学生学习积极性、主观能动心、实践创造性，具有更好的学习体验，提高机械制图课程的质量和教学效果。
参考文献：
[1]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015(4)：96-103.
[2]王莉莉.机械制图与AutoCAD课程整合的思考[J].汽车实用技术，2020(9)：250-251.
[3]杨三艳，李艳.浅谈3D打印技术在机械类课程教学中的应用[J].职业教育研究，2014(10)：166-168.
[4]赵明侠.基于3D技术的高职机械制图与CAD课程测绘实训实施与研究[J].内燃机与配件，2020(2)：277-278.
《3D打印技术在机械制图的应用》来源：《装备制造技术》，作者：王莉霞 彭敏 周磊
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