孙文柱 曲建岭 高峰 袁涛 郭超然

摘要：针对《航空仪表设备》课程中装备体积小、結构复杂、设计精密，不利于课堂讲解示范的问题，提出了将3D打印教具应用于《航空仪表设备》课程教学。首先分析了3D打印技术的特点和原理，然后介绍了3D打印的过程，最后将3D打印教具应用于《航空仪表设备》课堂教学。实践表明：3D打印教具的参与可以强化课堂互动，增强学生空间想象能力，拓宽学生思维空间，进而提高学生的学习效果。

关键词：3D打印；教具；课程教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）39-0092-03

一、引言

《航空仪表设备》是一门理论与实践紧密结合的课程，其特点是突出设备构造与原理的理解和掌握，而课程中所涉及的仪表及其零部件大多具有体积小、结构复杂、设计精密等特点，课堂教学普遍存在着无实装实物、零部件难以拆卸安装、零部件体积小不利于观察等困难。目前教员授课主要采用幻灯片展示图片和动画等手段，缺乏实物感，从而影响教学效果。另一方面，目前普遍缺乏新装设备，课堂上急需相应的替代品。随着3D打印技术的不断完善和打印成本的降低，将3D打印的模型应用于课堂教学成为可能。使用3D打印技术可以打印出大小合适、重量轻便的教具，此类教具具有不受地点限制、便于演示、可拆装的特点，在课堂上使用这样的教具可以使学员更容易理解设备的原理和构造，加深学员印象，进而提高课堂教学质量。另外，3D打印技术可以打印出新式装备结构，从而弥补新装设备不足带来的制约。本文通过将3D打印技术应用于《航空仪表设备》课程教学，改善了教学方式方法，提高了教学质量和教学效果。

二、3D打印技术介绍

3D打印又名增材制造（additive manufacturing，AM），是近年来兴起的一种快速成型技术，具有周期短、成本低、加工灵活等特点。3D打印具有广阔的应用前景，在课堂教学、产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等方面都有广泛的应用。3D打印过程是在计算机的控制下，逐层堆积或固化材料，最终制造出立体工件。3D打印出的工件形状非常灵活，几乎可以是任意形状，许多传统加工方法不能加工或难于加工的形状都可以由3D打印机轻松打印出来。目前3D打印技术主要分为FDM熔融层积成型技术、3DP微滴喷射成形技术、SLA立体平版印刷技术和SLS选区激光烧结技术等。FDM熔融层积成型技术是以条状的热熔性材料为原料，打印过程中将材料加热融化并从喷头挤出。在计算机的控制下，按照预定路线在一个层面上绘制出轮廓信息，一层完成后喷头提高一个分层厚度或工作台降低一个分层厚度进行下一层绘制。如此反复直到整个工件完成。FDM技术的优点在于成型材料种类多、精度较高。3DP微滴喷射成形技术使用粘结剂配合粉末材料成形，打印过程中在一个层面均匀铺设粉末，然后使用喷头将粘结剂喷涂到粉末上形成一个轮廓信息，逐层反复直到整个工件完成。3DP技术色彩灵活，可以打印全彩色3维模型。SLA立体平版印刷技术以液态光敏材料为原料，计算机控制激光在一个层面上对原料进行照射，原料产生光聚合反应固化形成一个截面。逐层反复直到整个工件完成。SLA技术的优点为成型速度快、工件精度高。SLS选区激光烧结技术以粉末为原料，计算机控制激光在一个层面上对原料进行照射，原料高温烧结固化形成一个截面。逐层反复直到整个工件完成。SLS技术的优点为材料种类多，工件强度高。

三、3D打印过程

3D打印可以分为四个步骤：建模、格式转换、打印和后处理。

1.建模。3D打印的第一步是在计算机中建立三维模型。目前建模主要有3种方式：①使用3Ds Max、Solidworks、AutoCAD等3维建模软件建模；②使用3维扫描仪建模；③使用AutoDesk 123D Catch、Agisoft PhotoScan等摄影测量与建模软件建模。本文采用第一种方式进行建模，部分《航空仪表设备》课程教具的3Ds Max设计模型如图1所示。

2.格式转换。3D打印的第二步是将3维模型转化为STL格式文件。STL文件格式是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。STL文件创建完成后将生成Gcode代码，Gcode代码包含有切片信息，是一种数控编程语言，其中可以设定支撑、层厚、建造方向等参数。CURA软件中显示的STL模型如图2所示。

3.打印。3D打印的第三步是将Gcode代码载入3D打印机。载入后，3D打印机就可以按照预定程序逐层打印工件了。打印过程中注意保证原料充足，进料顺畅。打印时间由工件大小、打印方式、材料、精度决定。3D打印过程如图3所示。

4.后处理。3D打印的第四步是后处理。打印后的工件会存在多余支撑、毛刺等问题，需要进行清洁和打磨，打磨后工件完成，如有需要还可以进行上色。部分《航空仪表设备》课程教具的最终效果如图4所示。

四、教学实践应用及效果

《航空仪表设备》课程要求学员系统掌握航空仪表设备的功用、结构组成、系统控制关系、信号流程与电路走向、故障模态与可能原因、维护基本要求等，从而形成进行专业工作的工程思维意识、设备工作状况分析基本能力、通电与检查基本操作方法与实施机务准备基本技能等专业能力。近年来，我们将3D打印教具在《航空仪表设备》课程教学过程中进行了应用。实践证明，这可以大大拓宽学生思维空间，增强学生空间想象能力，提高学习兴趣，激发学习积极性，强化课堂互动，从而使学员能够迅速地掌握航空仪表设备的原理和构造，提高学习效果。

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