增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践_增材制造技术的应用
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增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践
摘 要：3D打印技术（又名增材制造技术）是一项日趋成熟的数字化成型技术，许多行业积极发展3D打印技术的结合利用。本文概述了3D打印技术及其在教育教学中的应用现状，分析了铸造专业特点和3D打印技术应用于铸造教学的作用，以教学实例的方式探索了3D打印技术融入铸造实践教学的方式方法。
关键词：3D打印；铸造实训；识图；教学
《教育部党组关于教育系统学习贯彻习近平总书记教师节重要讲话精神的通知》中指出，引导支持广大教师“善于运用新技术提高教学设计、教学实施、教学评价的专业能力”、“始终为学生提供最有效的指导和最好的教育”。笔者在高职铸造教学中进行了增材制造技术的应用探索与实践，有效解决了高职铸造学生在校学习积极性不高、教师教学效果不好的问题。
一、研究意义和背景
铸造是一门工程性很强的专业。在学习机械制图、材料成型原理等理论先修课程时，需要很多实体的教具（如机械零部件或模型）来进行演示，而实际上很多学校由于经费的原因，教具数量极为有限且更新慢，使教师在讲解知识时有无米之炊的尴尬。在进行砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训等实践课程时，铸造实训车间工作环境较差，使铸造专业的学生产生一种失落感，学生的学习积极性受挫。通过丰富教具和教学形式，可以有效解决上述环节的困境。
3D打印技术起源于上世纪八十年代，经过三十年的发展，这项快速成形技术取得了长足的发展，能够利用多种材料打印出精度较高的产品，开始在各个行业发挥作用。近年来，3D打印已成为一项热门的技术，在全世界范围内掀起了一场3D打印的学习和应用热潮[1]。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，增强学生的动手能力和创新思维，许多发达国家已经进行了3D打印技术应用于教育事业的探索，欧美一些学校设立了3D打印相关教育基金，购买3D打印设备开展教学试点。在我国，3D打印技术也于近几年走进了校园，部分学校开始有了3D打印相关课程[2]。随着3D打印技术的学习和应用热潮日渐升温，该技术必将得到不断提升，其设备与打印材料的价格必然呈逐渐降低的趋势，为3D打印机走进越来越多的校园，走向课堂创造了现实条件。
二、探索与实践
3D打印区别于传统的“模具―毛坯―机加工”等模式的“减材制造”技术，通过材料的逐层堆积方式来构造物体，又被称作“增材制造”技术，它以数字模型文件为基础、粉末状金属或塑料等可粘合材料为打印原料，具有节约材料、高效率和自由化设计等优点，被称作是一项革命性技术，是“第三次工业革命”到来的重要标志[3]。
目前，主流的3D打印技术有：熔融沉积造型技术（FDM）、光固化立体造型技术（SLA）、薄材叠层成型技术（LOM）、选择性激光烧结技术（SLS）、三维喷涂粘成型技术（3DP）等，其中FDM技术，操作简便，生产成本低，应用最为广泛。[4]
1.3D打印在机械制图中的应用
机械制图作为铸造专业的先修课程，目的是使学生增强识图制图能力。识图制图能力的增强依赖于多看、多想以建立空间思维，这就要求学校拥有足够数量的教具，如各类金属零部件、塑料模型等，而许多学校由于教学经费的限制，拥有的教学用模型数量有限，特别是复杂零部件模型（价格较贵）很缺乏，且很少更新。教师只能利用少量的简单模型进行讲解，大大限制了学生识图能力的提升。在工作后遇到的零部件图纸各式各样，有很多会比较复杂，铸造专业的学生往往难以很快适应。
3D打印的一大优势就是可以快速地打印出形状与结构复杂的模型，若选择合适的材料，打印成本也较低。如果将3D打印机引入课堂，可以在低成本的条件下，大大丰富教具的种类和数量，并且可以随时增补新式零部件模型，可极大提升学生的见识和空间想象力，使学生将来进入工作岗位后能够快速适应，同时也使教师讲课时有更多的、更复杂的教具辅助，事半功倍。
2.3D打印在特种铸造生产实训中的应用
无论是砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训，为了验证学生工艺设计质量，都应该先制造出学生工艺设计的模样，然后才能进行造型、浇注。但这无论是从时间还是经济上讲都是难以实现的。以下是结合了3D打印进行的新型特种铸造生产实训流程图。
如图1所示，当学生进入铸造生产实训阶段后，首先由教师布置生产任务，向学生讲解任务大致流程，学生自由组合成立研究小组，分析任务产品特点，完成铸造工艺方案的制定。学生在教师的辅助下完成3D打印机软、硬件学习，开始产品试制，通过三维建模导出STL格式文件输入3D打印机，打印出3D模型，以三维模型的尺寸为基准对3D打印模型进行尺寸检测，若合格则进入熔模铸造后续流程，若不合格，分析尺寸超差的原因，返回上一步，对三维模型进行检查、对3D打印参数进行调整，再次打印模型。利用合格的3D打印模型进行熔模铸造生产，得到铸件，对铸件进行尺寸和缺陷检测，合格则得到铸件成品，不合格则利用检测数据对铸件结构和铸造工艺进行优化，用优化后的方案返回到三维建模步骤进行产品再试制。
以上流程中通过3D打印技术的引入免去了模样的加工周期，进行该试生产的时间可缩短为2至4周，与高职院校铸造生产实训周期较为吻合；又省去了制作模样的费用，节约了成本。
3.3D打印技术融入铸造教学的其他积极作用
3D打印技术给铸造领域注入了创新动力，各地、各院校可以利用铸造与3D打印技术相结合开展创新创业活动，如基于3D打印技术的新型铸造工艺方法设计比赛和铸造工艺品创意制作比赛等，为学生积极创造实战机会，提高学生理论联系实际及开拓创新的能力，同时通过竞赛与奖励的方式提升铸造专业学生的行业荣誉感。
三、结束语
在理论教学中引入3D打印，实现了教师教具的极大丰富，教学效果得到改善，学生识图水平显著提高；在铸造生产实训中引入3D打印，加强了学生在实训教学中的主动参与度，挖掘了学生自主分析、专研的能力和兴趣。学生成立了研究小组，进行了产品试生产，不仅使其切身体会了铸造生产的真实流程，得到了“岗前培训”，而且培养了团队协作精神。迎着3D打印技术的发展热潮，各教育机构应该积极研究并扩展3D打印在多学科教学上的应用范围，利用此类人工智能化技术为教育教学带来更多革新性的变化。
参考文献：
[1]傅骏，王泽忠，方辉.3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望[J].中小企业管理与科技，2014（9）：299-300.[2]朱阁，莫蔚靖.3D打印技术在教学中的应用与探索[J].价值工程，2015（32）：178-181.[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23（12）：16-19.[4]王嘉.3D打印技术及其发展现状[J].包头职业技术学院学报，2015，16（2）：18-20.（作者单位：曾舟：四川工程职业技术学院，四川大学；傅骏：四川工程职业技术学院，四川大学；吴代健：四川工程职业技术学院；蔺虹宾：四川工程职业技术学院）
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