在先进制造技术课程中开展3D打印实验的方法探究
【摘要】在分析先进制造技术课程教学中存在问题的基础上，结合课堂教学和科研实践经验，研究了先进制造技术课程中开展3D打印实验课程的教学内容，提出课堂教学与实验教学混合开设的教学模式，探索了开设3D打印实验的实施方案。最后，实例说明了运用混合教学模式取得的成效。
【关键词】先进制造技术；3D打印；课堂教学；实验教学
0 引言
随着人类生活水平不断提高和科学技术日新月异的发展，产品更新换代的速度不断加快，快速响应多品种单件小批量生产的市场需求对制造业提出了新的要求，针对此需求，先进制造技术在企业的生产活动中得到了广泛的应用，进而对企业员工的素质也提出了更高的要求，工程技术人员必须对先进制造技术的专业知识有所了解和掌握。针对上述需求现状，近年来众多高校机械类专业都相继开设了先进制造技术课程，并将其作为必修课以满足市场需求。
3D技术作为先进制造技术的一种，出现于20世纪80年代末期，该技术是集成了计算机辅助设计、计算机辅助制造、数控技术、材料科学及能源技术。据称，3D打印技术是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，将对社会多个行业和领域带来深刻影响。3D打印的未来发展将使大规模的个性化制作与制造成为可能，在工业设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域具有广阔的应用空间[1]。
1 3D打印在教育领域中的应用现状
目前，各高校都把先进制造技术作为工业工程、机械制造及其自动化、机械电子工程及工业设计等专业的必修课，一般开设在第7学期，学时在32~48之间。目前，先进制造技术本身虽已作为一门课程讲授，但仍然存在如下的一些问题[2-3]：
（1）围绕先进制造技术教学的实验设备大多处于空缺或严重不足状态，然而先进制造技术内容繁杂，各种先进制造工艺、原理、理念涉及各学科的知识，学生在学习的过程中理解和掌握比较困难；
（2）很多先进制造技术，如快速成型技术、激光加工、电火花加工、超精密加工等都已在现实制造业中有较广泛的应用，而教师在教学时一般只是讲解其产生背景、原理、应用，没有相关实践或实训环节，这在一定程度上严重影响了教学效果；
（3）目前，部分学校老师基本还是采取填鸭式的教学方法，虽然大多也采用了多媒体等手段，但教学方式方法枯燥乏味且形式单一，学生只是了解到了基本概念和原理，没有深层次的思考，达不到培养学生创新思维和创新能力的目的。
针对上述问题，笔者在个人教学体会和吸取他人相关教学经验的基础上，面向培养理论知识和实际应用兼备型人才的目标，对先进制造技术课程的教学模式和方法进行改革实践和探讨，提出理论授课和实验课程混合开设的教学模式，以在先进制造技术课程中开展3D打印实验为例。
2 3D打印实验课程
2.1 3D打印机的工作原理及其特点
根据成型原理的不同，3D成型技术可以分为以下几类：熔融沉积成型技术（FDM）、光固化成型技术（SLA）、分层实体成型技术（LOM）、选择性激光烧结成型技术（SLS）、三维打印成型技术（3DP）等[4]。结合教学实验的需求及兼顾设备的价格，学校通常会选购熔融沉积型3D打印机。熔融沉积成型3D打印机使用真正的工程塑料，如ABS、PLA、聚乙烯、尼龙等，运用该技术成型的零件与机械加工或者注塑模具生产的部件强度相当，唯一不同的是表面光洁度，但这一缺点可通过合适的后处理来消除。
（1）熔融沉积型3D打印机的工作原理
熔融沉积成型3D打印机是将热塑性材料在喷头内加热熔化使其呈半流动状态，在计算机的控制下，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔融状态的材料以丝状挤出；而后材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续下一层的沉积，直至完成整个零件[5]。
（2）熔融沉积型3D打印技术的特点
熔融沉积成型3D打印技术之所以能被广泛应用并得到迅速发展，因其具有以下特点：（1）打印材料广泛。一般的热塑性材料如塑料、蜡、低熔点金属等都可应用于该技术。（2）打印精度高。该技术的最高精度已达0.05mm，使用标准零件测得的平均变形仅为0.37%。（3）打印零件具有优良的综合性能。经检测，使用ABS、PLA等常用工程塑料成型的零件，其力学性能可达到注塑模具零件的60~80%。（4）该种打印机简单、低廉、可靠性高。由于该种技术中不使用激光器及其电源，很大程度上简化了设备，使机身尺寸大幅减小，且成本降低。（5）打印过程对环境无污染。在打印过程中所使用的材料一般为无毒、无味的热塑性材料，因此对周围环境不会造成污染，并且在运行过程中噪声很低，非常适用于高校实验教学。
2.2 3D打印实验室配置及课程要求
本文提出理论授课和实验课程混合开设，其目的是使学生深入地理解3D打印技术的基本原理，认识3D打印技术的工艺流程以及掌握3D打印机的结构组成和基本操作，以激发学生的学习兴趣，提高先进制造技术的教学效果。
3D打印教学实验室需要一台教学用3D打印机和若干台学生用3D打印机，以及与之配套的PC机若干台。本校采购了若干台MakerBot Replicator 2熔融沉积型3D打印机，Replicator2采用的是MakerBot PLA耗材（多种颜色可选），这种新型生物塑料可以更牢靠的粘在打印平台上，降低脱落，翘曲，滑动和收缩问题。
通过3D实验学生应该获得以下具体的知识和技能：
（1）以熔融沉积型3D打印机为例，理解3D打印技术的基本原理；
（2）熟悉熔融沉积型3D打印机的结构；
（3）掌握3D打印机控制软件MakerWare的基本操作及功能；
（4）掌握3D打印机的模型制作过程，基本操作以及操作注意事项；
（5）了解3D打印技术的成型工艺；
（6）能做简单的工艺参数优化研究。
3 3D打印实验教学实例分析
综合先进制造技术及3D打印实验课程教学经验，笔者对开设3D打印实验课程有以下心得体会：
（1）3D打印实验提高学生的动手能力及协作力。3D打印需要学生实践操作，从设计到打印，都需要他们共同协作完成，这将促进学生动手能力和观察能力的发展，同时提高学生的团结协作能力。
（2）3D打印实验激发学生的学习积极性。3D打印大幅激发了学生DIY的兴趣，通过3D打印机，学生将脑海中的模型转变为真实的物体，将抽象概念和设计带入现实世界，使学习更加生动。
（3）3D打印实验培养学生的创新能力。3D打印开发了学生的想象力，将他们的创造变成实物，这是推动学生创新精神和创造能力发展的重要环节，对创新型人才的培养具有积极意义。
4 总结
本文依据笔者多年来的教学经验，分析总结了先进制造技术教学中存在的问题，阐明了在先进制造技术课程中开设3D打印实验的可行性，并探讨了实验目的及实验室配置要求。通过实践教学，提高学生的动手能力和团结协作能力，激发学生的学习积
极性，培养学生的创新性和创造力。我们将继续探索，使先进制造技术这门课程内容更加趋于完善，教学效果更上一层楼，并使3D打印技术得到推广应用，为学校教学和企业生产起到积极的促进作用。
参考文献：
[1]王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012，26：3-5.
[2]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013，08：83-87.
[3]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013，04：29-35.
[4]Kulkarni P，Marsan A，Dutta D.A review of process planning techniques in layered manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal，2000，6（1）：18-35.
[5]韩霞，杨恩源.快速成型技术与应用[M].机械工业出版社，2012.