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摘要：激光切割与3D打印技术近几年逐渐走进校园，作为学生实践操作的一部分，不仅让学生产生对机械原理这门课的兴趣，促进对该课程的理解与掌握，而且激发学生参与各种设计大赛的兴趣，尤其是无碳小车比赛，借助这两种技术，完全胜任将学生所做的设计加工成实体。本文介绍了激光切割技术与3D打印技术概况、在教学与实践中的实际运用以及带来的效果。
关键词：激光切割；3D打印；无碳小车；机械设计
本文引用格式：马雪亭,等.浅谈激光切割与3D打印技术对机械原理教学的作用——以无碳小车为例[J].教育现代化,2019,6(70):151-153,162.
一 引言
机械原理课程是机械电子工程、农机工程、机械设计等专业的专业基础课程，在掌握先修课程（如材料力学、理论力学、机械工程材料等）的基础上，进一步的有针对性的对机械类产品进行设计与分析，为后期学加工工艺、数控加工等课程打下良好基础。可以说，能否学好这门课程，对学生将来的发展关系重大。所以提升学生对本课程的兴趣、将本课程所讲内容及时应用到实际操作中去显得很有必要。本章内容提出让学生通过参加合适的机械类大赛（以无碳小车为例），并在参赛实体设计与加工制作过程中，熟练掌握3d打印技术与激光切割技术，达到对机械原理课程学有所用的目的[2]。
众所周知，3D打印技术是近几年新兴的一种利用pla等材料结合虚拟样机技术对设计实体进行三维打印的技术，可按照人们的意愿，方便地打印出所需形状的实体，方便快捷，成本低廉，成为诸多行业热衷的技术。近几年，3D打印技术迅速走入校园，受到广大师生喜爱，结合激光切割技术，成为老师教学、学生实践以及师生参赛的普遍应用的技术。而激光切割技术相对于传动的切割，精度更高，效率更快，表面光洁度也更完美，也受到师生们的欢迎。这两项技术逐渐成为了同学们在各类设计比赛中不可或缺的加工技术，不仅激发了对工科学习的热情，也激发了对机械类专业知识的兴趣，可改善学生重理论轻实践的现状，将所学知识较好地融入到实践中去。
无碳小车是近几年逐渐兴起的比赛项目，其大致结构相对又有一定的创新设计空间，且整体结构的复杂度较为适宜，对于刚刚入门机械设计的大学生而言，无疑是较为合适的比赛之一。无碳小车的底座、车轮等结构可借助激光切割技术将亚克力板或其他合适板材切成合适形状，而缠线轮、轴等零件结构则可借助3d打印技术制作，两者完美结合，实现对无碳小车的加工，两者均操作简单，且加工成本低。对于学机械原理与机械设计的学生来说，无碳小车赛事无疑是给他们一展身手的机会与平台，也为进一步参加其他赛事与专业课程学习的深入奠定基础。
二 激光切割技术与3d打印技术
激光是一种高亮度、方向性好以及单色性好的相干光。聚焦后的激光束照在任何坚硬的材料上都将产生上万度的高温。在此高温下，被切割材料将瞬时急剧熔化和蒸发，可利用该原理达到去除部分材料最终完成雕刻或切割的目的。激光切割机多用于板材加工。根据档次的不同，可以切割木板、亚克力板、普通钢板、硬质合金、不锈钢等多种金属材料与陶瓷、玻璃、纤维板等多种非金属材料[1]。切割的板材厚度根据材料的不同而有一定差异：普通材料厚度可达12 mm，不锈钢的板厚可达4 mm。激光切割机主要用于板材加工，该激光切割机采用先进的“飞行光路”原理，即工件在切割时静止不动，激光束从激光器直接由反射镜传输到移动的切割头中[3]。
激光切割的现实应用非常便捷，仅需简单几个步骤：首先，需在cad软件上绘制出所需切割的路径，转成激光切割机兼容文件格式；然后打开制冷及激光切割机，调节适当焦距；将板材放置在激光切割机合适位置；调整合适参数，并将事先绘制好的切割路径文件传输给切割机启动即可。像减速器外壳、无碳小车车轮、盘形凸轮等均可用该设备加工制成[4]。
3d打印技术是一种快速成型技术，兴起时间较短，因其操作简单、成本较低、使用范围广泛而风靡至今，近几年已成为各类设计大赛、玩具行业、医疗行业等热衷的技术。该技术结合虚拟样机技术，通过金属或塑料粉末逐层打印，实现复现虚拟样机的功能。我校部分学生的获奖作品便基于3d打印技术，反响不错，吸引了越来越多的同学加入。
与激光切割机操作类似，3d打印机的使用也较为便捷：首先，借助SolidWorks或其他三维建模软件设计虚拟样机，并转成可被3d打印机识别的文件格式（如stl）；打开3d打印机并将兼容文件传输给打印机，设置好各项打印参数启动即可[5]。该设备虽操作简单，但效率相对较慢，不过因其优势显著，使用者较多。除应用于各高校设计比赛中实体的制作，还应用于医疗（如牙齿、假肢等的制作）、玩具（迷你玩具车、玩具飞机等的制作）等多个领域。
三 可用激光切割加工的零部件设计与切割
在所设计的无碳小车各个零部件中，部分零部件可通过板材切割获得，如底座、车轮等，这些零部件的设计只需考虑板材厚度，利用cad软件画出切割机的切割路径（也就是零件的一个合适视图，通常为主视图），再将路径文件转成能被激光切割机识别的dxf兼容格式。图3左为部分可用激光切割机切割的文件图形，图3右为切割机切割后的实际成品（此次比赛中，该零件所用材料为亚克力板，厚度为6mm）。
四可用3d打印的零部件的设计与制作
在无碳小车的制作中，3d打印主要用于轮廓形状较为复杂且承受载荷不大的零件的制作，如缠线轮、曲柄轮等的制作。需要注意的是，由于3d打印机打印出来的成品精度有限，且效率较为低下，故如果所用零件对精度要求较高，应尽量购买标准件，并从中选取适合型号。图4为学生在制作过程中，自行设计的几款缠线轮。
五无碳小车组装与调试
为了使无碳小车最终走出理想的“s型”与“双8型”路线，除了需要良好的设计方案和合适的加工手段与方法，于是同学们便利用机械设计课程中所学的传动方式（尤其是齿轮传动）、机构运动简图等知识对小车结构、传动比、急回特性等内容进行分析探究，优化成合适的尺寸与几何形状。另外，初步组装成的小车还需要反复调试试验，并进一步地微调完善。在调试的过程中，同学们能根据行走路线存在的不足主动探寻原因，并对问题零部件进行再设计与再加工。例如缠线轮的改进：在行走过程中，其中一组的同学第一次所设计的缠线轮为圆柱状，且直径较小，发现组装好的无碳小车靠自身砝码的重力无法起动，需要借助外力，这在比赛过程中是不允许的。于是查阅资料，咨询老师，最终改进成阶梯状和圆台状，解决了此类问题。另外，两组的同学发现，在无碳小车行走过程中，线容易被卡住，于是一块探讨，购买柔性好、表面较为光滑且粗细不同的多种线不断调试，最终找出合适的细线。在摸索的过程中，同学们进一步增加了对设计与加工的理解，最终形成理想的成品，也有一定的成就感。通多对多组同学的采访调研，同学们普遍表示：通过无碳小车比赛，经过队员们自行设计、加工、组装并调试，不仅增加了对机械类比赛的兴趣，也对机械设计等相关课程更加易于理解与重视，激发了对理论与实践的积极性，有很大意义。图5为最终装配实体。
六 结语
基于3d打印技术与激光切割技术的无碳小车比赛，不仅激发了学生对工科专业的兴趣，在课堂上对机械原理等相关课程更加重视，而且也让学生有兴趣去利用专业知识进行虚拟样机的设计与加工，而在设计与加工过程中，会不断发现琐碎问题，并请教老师和自行查阅专业知识及相关文献资料，进一步加深了对专业知识的学习与掌握，也培养了自学能力，对学生未来的发展奠定良好基础。
参考文献
[1]刘瑞廷.激光技术在材料加工产业中的应用[J].技术与市场,2017,24(11):174.
[2]林健,李劲松,李美,等.3D打印技术进入高校课程教学初探——以《人机工程学》课程为例[J].课程教育研究,2015(34):246.
[3]欧阳晓亮.激光切割机在电梯钣金加工中的应用[J].山东工业技术,2018(23):28.
[4]顾银娥.激光技术在金属材料加工工艺中的应用[J].信息记录材料,2018,19(02):15-16.
[5]胡彧.3D打印技术下的汽车CAD教学实践[J].中国设备工程,2017(17):168-169.
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