3D 打印技術在計算機硬件組裝與維護課程中的應用

南京交通職業技術學院基礎部 李揚

隨著3D 打印技術的發展和普及，其在教育領域的應用引起廣泛關注。通過引入3D 打印技術，可以獲得更加實踐性和直觀的學習體驗，并培養創新、合作和問題解決能力。在課堂中，可以通過3D 打印技術設計和制作物品模型，加深對物理、數學、工程等學科知識的理解和應用。3D 打印技術在教育領域有著廣闊的前景和潛力，可以提供更加實踐性、創新性和多樣性的學習體驗，促進其綜合能力的發展和提高。

隨著互聯網的普及和移動網絡的崛起，計算機及計算機應用技術已經深入到人類社會的科學研究、工作學習、日常生活等方方面面，隨之而來的是計算機硬件組裝維護的應用也愈加重要。作為計算機應用技術相關的從業者和使用者，正確判斷計算機的硬件故障并及時進行維修、維護，對保障科學研究、工作學習、日常生活的正常、高效運行具有重要的實際意義。計算機硬件組裝與維護是一門對動手能力要求較高的課程，需要學習者投入大量的時間開展實際操作訓練。如果只通過有限的教材、視頻資料等指導知識的學習，在學習過程中僅僅掌握了理論知識，擁有的技能也只能維持在“拆”和“裝”兩個維度，自身解決實際問題的能力也沒有得到有效提高，課程的教學質量難以達到預期效果。上述問題，已經嚴重束縛了計算機硬件組裝與維護課程的建設和發展[1]。針對課程的實際需求，引入3D 打印技術，可以深入、形象、動態掌握計算機主機部件結構，以虛擬仿真技術實現課程教學效果的大幅提升。

1 3D 打印技術在計算機硬件組裝與維護課程中的困難

（1）計算機硬件組裝實驗課程教具有限，課程中動手實操機會不多。近年來，國內電子產品行業飛速發展，這讓計算機硬件成本得以大幅下降。然而，即便是一臺主流配置的電腦，其價格仍然高達4000 元左右。由于在實驗課時需要節約成本，他們常常將自己分組成5 ～8人，共用一臺計算機進行拆裝。然而，這種實訓教學條件往往會錯失接觸每個部件的機會，難以熟悉每個零件的具體裝配方式，從而導致教學效果嚴重受損。

（2）計算機硬件組裝實驗課程教具陳舊，內部組件與主流配置完全不同。由于組裝實驗室的成本投入問題，學校經常會將性能落后或即將淘汰但仍然可以正常使用的計算機用于組裝實驗室供拆解和組裝。然而，這些老舊的計算機的內部組件與主流配置的設備在接口和造型上完全不一樣，這導致學生在一堆“古董”設備里操作時與現實脫節。

（3）計算機組件反復拆裝容易損壞。計算機內部的各種組件都屬于精密儀器，通常由金屬、PCB 電路板、塑料和橡膠等材質組成。然而，這些組件的設計初衷并非為了堅固耐用，因此在實訓操作中經常進行反復的拆裝、插拔，容易導致組件的接口、芯片損壞。此外，計算機部件屬于精密電子產品，因此過度觸碰和不規范的操作往往會因為靜電導致設備損壞。

（4）計算機組件的內部結構缺乏完整的演示。隨著電子制造業的不斷升級，計算機組件的整合度越來越高，其完整性和穩定性也越來越強。許多部件采用了一次封裝的設計，使得其內部結構難以完整地展示，在實驗室學習時，也只能看到組件的外部形狀，而難以理解內部組成和結構。即使通過圖片、視頻等方式的拆解，也很難直觀地、完整地反映部件的內部結構和組成。這種情況下，教師可以通過其他途徑來幫助更好地理解計算機組件。例如，模型演示、虛擬仿真等方式，更深入地了解各個部件的工作原理和組成結構。

（5）提升計算機外設易損部件的維修能力，實現易損部件的再制造過程。除了鍵盤和鼠標，計算機外設中還有很多其他易損部件，比如，耳機、攝像頭、揚聲器等。這些部件往往需要耗費一定的成本進行維修或更換，但通過3D 打印技術，可以制造出精準的替代零部件，降低維修和更換的成本，并且更加環保。此外，通過學習和應用3D 打印技術，不僅可以培養他們的動手能力和創造能力，還可以讓他們更好地了解計算機硬件的構成和工作原理，從而做到內外兼修。

2 3D 打印技術引入計算機硬件組裝與維護課程的思考

3D 打印是一種可以將數字模型轉化為真實的、具有立體感的物體，實現從想象到實物的無縫銜接的技術。通過分層打印的技術，3D 打印機可以在數小時內制造出一個完整的模型，無論是簡單的立方體還是復雜的人體器官。這項技術的廣泛應用，已經在醫學、建筑、汽車、工業設計和藝術等各個領域展現了它的無限潛力。設計師們可以通過3D 打印技術來制造原型，快速迭代和改進產品，從而大大提高了設計的效率和質量。盡管3D 打印技術已經取得了巨大的進展，但仍有一些挑戰需要克服。比如，3D 打印機的速度仍然比傳統的生產方法要慢，而且材料的選擇和質量也需要不斷改進。

3D 打印技術的總體過程是一個高度精細的過程，需要先進行計算機建模。在完成三維設計模型后，使用專用的分層軟件對模型進行切片，將模型切分成許多薄片，每一層的切片數據都被準確地傳輸到3D 打印機中，指導打印機逐層打印。在打印過程中，打印機會根據每層的切片數據，將打印材料準確地堆疊在一起，逐漸構建出完整的三維物體，最終實現部件1:1 的具化模型。同時，3D 打印技術還可以創造需要修補的部件，通過修補設計模型，再進行分層切片，最終實現修補后的部件打印。整個過程高度自動化，大大提高了生產效率和精度。

隨著技術的進步以及市場的擴大，3D 打印機及其使用成本也在快速的下降。除了早期應用于航空、航天、汽車、船舶等高精尖行業，如今3D 打印技術在服裝、制鞋、建筑、影視、醫療等民用行業也得到前所未有的應用，逐漸取代了傳統手工制造實體模型的工藝，同時可以制造更加復雜和完整的實體模型[2]。3D 打印技術是一項具有重大意義的技術，它為我們帶來了無限的想象空間和創造力。

3 3D 打印技術引入計算機硬件組裝與維護課程的實踐

目前，市場上3D 打印技術種類繁多，而且3D 打印設備在尺寸、精度和成本上差距較大。根據高校教學資源的實際情況我們嘗試以下打印技術。

3.1 FDM 熔融沉積成型3D 打印技術

FDM 熔融沉積成型技術是一種常見的3D 打印技術，也是3D 打印中最常用的技術之一。該技術的原理是將一個細絲材料（通常是塑料）加熱軟化，然后通過一根可控的噴嘴按照一定路徑依次擠出并沉積，形成一個三維的物體。在3D 打印過程中，控制3D 打印機噴嘴的運動軌跡和溫度，將熔化的塑料擠出到特定位置，然后通過降溫固化，最終形成一個完整的物體。這一過程的控制和精度通常由3D 打印機的軟件進行管理，根據所需的設計來精確控制擠出頭的移動和材料的沉積。

3.2 SLA 光固化快速成型3D 打印技術

SLA 光固化快速成型3D 打印技術是一種高精度的3D 打印方法，其工作原理基于紫外線光固化液體光敏樹脂的原理。在SLA 打印過程中，首先選擇一種光敏樹脂作為3D 模型的原材料，這種樹脂是液態的并對紫外線光敏感。打印過程始于一個可上下移動的構建平臺，通常位于裝有液體樹脂的槽中。底部的光源通常采用紫外線激光或LED 光源，發射特定波長的紫外線光線。當光源照射在液態樹脂表面時，樹脂會發生光化學固化反應，從液態逐漸變成堅固的固態，這一層固化后，構建平臺會下降一小步，以準備進行下一層的固化，這個層疊沉積的過程會不斷重復，直到整個3D 模型完成。在某些情況下，為了支撐懸空的部分或者確保特定結構的穩定性，需要添加支撐結構，這些支撐結構通常由相同的光敏樹脂構建，并在模型完成后一同固化。完成3D 打印后，模型通常需要經過冷卻和后處理，例如，洗滌以去除未固化的樹脂，以及通過紫外線曝曬來進一步硬化和加固模型。

根據計算機硬件組裝與維護課程中的相關內容，首先確定需要打印的計算機部件，經過拆解了解其內部結構，再使用3D 繪圖軟件繪制所有零件生成3D 精密模型。也可以使用3D 掃描設備采集每個零件的3D 數據，直接生成為3D 模型后再進行手工修正達到打印精度[3]。這一過程能夠親自動手制作虛擬部件，掌握每一個部件的組成樣式，在虛擬環境中充分掌握計算機部件內外組成結構。隨后通過3D 精密模型打印專用切片軟件生成切片數據，切片軟件可以根據具體零件的造型及用途設置打印速度、出料速度、回抽速度、打印溫度和擠出寬度等數據。正確的切片數據設置不但能成功地完成打印任務，同時也可以提高打印精度，使打印實物結構夯實、表面光滑、組合流暢。最后將切片數據導入3D 打印機，設置好打印機自身數據通過切片數據順利完成打印任務。通過以上步驟完成從繪制3D 模型到打印實物模型，由內而外地掌握計算機每個部件，非常有助于掌握計算機各個部件的物理特征。3D 打印的即時性、快捷性可以保證呈現出最新的計算機硬件數據及模型。同時還可以自己設計、打印一些計算機易損零件用于修補，比如鍵盤帽、鼠標按鍵、耳機掛架等。將計算機硬件組裝與維護課程提升到能夠設計和制造的新緯度。

4 3D 打印技術在引用過程中首要解決的問題

4.1 如何高效創建精準的3D 建模？

在計算機硬件組裝與維護課程中，學生首先需要對計算機內部組件進行拆解分析，掌握零件具體構造。然后通過3D 制作軟件繪制計算機組件的精密3D 模型，如Autodesk Fusion 360、SolidWorks、Blender、Tinkercad 等，以便能夠創建復雜的3D 模型并進行精確控制。通過參數化建模，可以在模型中輕松更改尺寸和形狀，可以提高建模的靈活性和效率。為了達到更高的像真度甚至需要拆解部件，針對每一個零件繪制，最后組裝完成。同時也可以通過3D 掃描技術快速捕捉計算機部件的幾何形狀和表面細節。比如，激光掃描、結構光掃描或攝影測量，以獲得高精度的3D 數據。采集數據后通常需要專業的建模軟件來去除噪音、填補孔洞、優化模型的幾何結構等。

4.2 如何設置3D 打印模型切片的參數？

學生能夠掌握對3D 模型進行切片的能力和打印時切片數據的正確設置。切片軟件是將3D 數字模型轉換成3D 打印機可以識別的可打印代碼，讓3D 打印機發出打印指令的3D 軟件。切片軟件是3D 打印的必備工具。它可以將STL 等格式的3D 模型切片成水平層，生成一系列2D 圖像，3D 打印機可以理解并用來逐層構建物體。該軟件還可以計算打印所需的耗材量和估計打印時間。然后將信息保存在G-code 文件中，并發送到用戶的3D打印機進行打印。實質上，切片軟件充當了一個翻譯器的角色，將3D 數字模型轉換為3D 打印機可讀的代碼。

在進行3D 打印之前，需要將數字化的3D 模型轉換成打印機能夠理解的代碼，這就是切片軟件的重要作用。它可以根據我們選擇的設置，將3D 模型分層并轉化為2D圖像，以便3D 打印機逐層逐層地構建物體[4]。在這個過程中，切片軟件不僅要計算出所需的耗材數量和打印時間，還要對不同的參數進行調整以實現最佳的打印效果。其中，層高參數可以影響打印物體表面的光滑程度，我們可以根據所需的打印精度和打印時間來選擇最適合的層高。外殼厚度和填充密度參數可以影響打印成品的強度和重量，也可以根據打印物體的用途和要求來進行調整。打印速度參數則涉及到擠出機在擠出耗材時的速度，需要平衡速度和打印質量之間的關系，以確保打印出來的成品不會出現失真或者表面不光滑的情況?？傊?，切片軟件是實現3D 打印的關鍵之一，通過調整不同的參數，可以實現高質量、高效率的打印效果[5]。

4.3 如何選擇3D 打印材料

學生能夠根據打印目標的形狀、用途、顏色而選擇不同材料，從而就得考慮成本、外觀光滑度、尺寸精度、力學性能、熱力學性能、工作環境以及特殊功能性要求等因素。盡管有種種因素，不過基于模型的制作目的，大致可分為三類：外觀驗證模型、結構驗證模型和功能展示模型[6]。因為僅是作為展示和模擬的部件，所以對成品的力學強度要求不高，因而我們盡可能地選擇打印精度高、尺寸準、外觀細膩的打印材料。

4.4 如何修正3D 打印物件

學生根據設計需求可將3D 打印出的實物表面和縫隙處容易出現的誤差和拉絲，使用筆刀、鋼銼、砂紙對實物模型進行修正和打磨手工修正，確保表面平整外形精確。

5 結語

3D 打印技術通過對物件設計靈活、打印種類豐富、打印成本低廉、物件可復制性高、對時間空間要求較低，為計算機硬件組裝與維護課程提供各類教具和修補零件。其本質依舊是虛擬現實技術，是將原來看得見摸不著的虛擬現實技術變革為看得見也摸得著的技術，突破了原來只能在計算機屏幕里的虛擬而成為學生們手中的現實。學生經過繪制、制造最后組裝的過程能夠更加全面、細致地掌握這門課程的相關知識，在學習過程中也能做到事倍功半。3D 打印技術在教育行業尤其是計算機相關專業略顯薄弱，依靠國內成熟的3D 打印軟硬件技術及打印材料在計算機硬件組裝與維護課程中具有巨大的研究價值和應用空間。

引用

[1] 袁晨峰.職業院校開展3D打印技術的課程教學實踐與研究[J].現代職業教育,2018(14):176-177.

[2] 晁艷普.3D打印創新設計與制造課程的探索與實踐[J].中國現代教育裝備,2017(13):60-62.

[3] 馮丹艷.基于Soliworks軟件的FDM技術3D打印設計與實踐[J].內燃機與配件,2022(14):81-83.

[4] 吉冰倩.基于FDM 3D打印的模型數據前處理[J].機械工程師,2022(3):68-70.

[5] 周石林.FDM 3D打印成型精度試驗研究與優化[J].內蒙古工業大學學報(自然科學版),2022,41(04):339-345.

[6] 何悅菡.高職產品設計專業虛擬仿真3D打印模型制作實驗教學研究[J].輕工科技,2022,38(01):163-166.