基于3D打印的模具專業(yè)教學體系的改革與實踐

張曉華+劉曉晶

摘 要：3D打印是一種不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的新型技術(shù)，文章基于現(xiàn)有模具專業(yè)的教學體系，探討了3D打印技術(shù)與現(xiàn)有專業(yè)課程的有機結(jié)合，分析了這種改進后的教學體系對學生教學效果的改善和提高。

關(guān)鍵詞：3D打印；增材制造；模具；教學體系

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）02-0023-02

目前，中國經(jīng)濟面臨轉(zhuǎn)型升級的重要任務(wù)，尤其是東北地區(qū)，工業(yè)相對落后，發(fā)展和培育適應新時代的工業(yè)體系顯得尤為重要。而為這種經(jīng)濟轉(zhuǎn)變和工業(yè)升級培養(yǎng)出合格的人才，是擺在高等院校人才培養(yǎng)方面的日益緊迫的任務(wù)[1]。隨著社會不斷向前發(fā)展，一些新的專業(yè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如何將這些新的技術(shù)和現(xiàn)有高校的專業(yè)教學體系融合并協(xié)同發(fā)展，是高校能否培養(yǎng)出不斷與時俱進的高專業(yè)素質(zhì)人才的關(guān)鍵。

一、3D打印技術(shù)與模具專業(yè)現(xiàn)有教學體系

（一）3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是近三十年發(fā)展起來的一種新型加工技術(shù)，具有不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的鮮明的特色及優(yōu)勢。其一般過程為，首先采用計算機技術(shù)，將模型分成一定厚度的切片，然后控制打印機器，將粉末、絲材或者液體材料等通過一定的方法一層層疊加成形，做出性能和形狀各異的零部件[2]。經(jīng)歷三十年的發(fā)展，3D打印已經(jīng)發(fā)展為SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié)），SLM（Selective Laser Melting，選擇性激光熔化），LOM（Laminated Object Manufacturing，分層實體制造），F(xiàn)DM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積法），SLA （Stereolithography，立體光刻技術(shù)）等多種加工方式，這些方法分別適用于不同的材料和工藝。

（二）模具專業(yè)現(xiàn)有教學體系

現(xiàn)有的模具專業(yè)教學體系，受限于一些客觀條件，

往往理論教學多，實踐教學少。有觀點認為，學習知識不應該和活動情境分離而獨立、抽象存在，而應該在相應的情境中學，多與社會實踐活動結(jié)合起來[3]。尤其是模具專業(yè)，實踐性很強，很多知識需要學生在現(xiàn)場認知學習，為適應這種需求，現(xiàn)有教學體系安排了很多實踐環(huán)節(jié)，

比如認識實習、金工實習、生產(chǎn)實習、模具設(shè)計課程訓練等等，并具體分布到大學四個學年的學習過程中。但作為專業(yè)課教師，我們認識到這種實習也僅僅是在某一個階段，在理論學習完之后進行的再認識和再提高，理論學習和實踐學習沒有完整地融合在一起，使得學生在學習過程中面臨較大的困難，學習研究效果大打折扣。

（三）3D打印為現(xiàn)有教學體系帶來革新

3D打印技術(shù)的發(fā)展，為模具專業(yè)的學生學習，提供了一個很好的契機。3D打印技術(shù)快速拉近了理論學習和實際過程之間的距離，可以及時將頭腦中虛擬的物品轉(zhuǎn)化為真實物品，使學生具有一定的獲得感，提升學習興趣，避免了學習過程中理論設(shè)計和現(xiàn)實之間的誤差，

促進學生對專業(yè)技術(shù)的感性認知和整體認識。有心理學家認為，學生的直接經(jīng)驗和感性認識是學生進行想象和創(chuàng)造的基礎(chǔ)，學生想象能力的培養(yǎng)和立體圖像的建構(gòu)則需要學生觀看更多的立體結(jié)構(gòu)，研究立體結(jié)構(gòu)的形成過程。3D打印技術(shù)則適應這一需求，教師不僅可以在課堂教學過程中為學生提供豐富的立體模型，更可以引導學生觀察立體模型從無到有，一步步建構(gòu)的過程，引導學生分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念，取得更好的學習效果。

二、3D打印與現(xiàn)有教學體系的結(jié)合

隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，在高等院校專業(yè)技

術(shù)人才的培養(yǎng)中，適時地引入相關(guān)技術(shù)，并和現(xiàn)有教學體系緊密融合，將會很大程度上改善現(xiàn)有教學體系，提

高學生學習效率，提高學生專業(yè)素質(zhì)。哈爾濱理工大學模具專業(yè)在3D打印與現(xiàn)有教學體系融合的過程中，慢慢摸索出了一條自己的路徑。

（一）機械制圖

機械制圖課程對空間的想象能力具有很高的要求，但學生剛剛進入大學學習，空間想象能力缺乏持續(xù)有效的鍛煉，導致大多數(shù)學生在學習這門課程中遇到很大的困難。比如兩個不同直徑圓柱的相貫線，很多學生就不能想象出來，更談不上從不同的視角去繪制。面對這類問題，現(xiàn)在通常的教學方法是采用模型，在課堂上引導學生從不同角度觀察，進而繪制，但其效果并不太理想，兩個模型的相貫線在兩個模型確定的時候已經(jīng)確定，還是有部分學生不能深入理解相貫線的形成。3D打印技術(shù)中的FDM工藝，在將兩個不同物體同時打印出來時，物體的相貫線也隨著物體成形的過程，一點點將形成過程展現(xiàn)出來。學生在學習過程中，直接觀察到這種相貫線的形成過程，不僅有利于其空間想象能力的建構(gòu)，更有利于理解相貫線的形成過程，讓學生知所然，也知所以然。

（二）模具CAD

模具CAD是模具專業(yè)必修的一門專業(yè)課。學生在模具CAD課程學習中，反映裝配關(guān)系復雜、虛線實線不易區(qū)分，其本質(zhì)還是空間想象能力不夠，當然也反映出對模具工作過程不熟悉。在此情況下，可以采用兩方面的措施，其一是采用三維造型軟件，比如Pro/E或者UG等，與auto CAD二維軟件的結(jié)合使用，提高學生對立體造型的感知能力，當然這種措施也增加了課時；其二可以采用3D打印FDM技術(shù)，在授課的同時，將模具中的某個零件打印出來，或者采用SLA技術(shù)，將整個模具模型同時打印，給學生以直觀的體驗和整體認識。

（三）模具設(shè)計課程訓練

模具設(shè)計課程訓練是模具專業(yè)學生學習完相關(guān)專業(yè)課后，進行的一個非常重要以提高學生綜合能力為目的的訓練課程，時間一般持續(xù)為3周?，F(xiàn)在一般的做法是，學生采用手工繪圖，包括裝配圖和零件圖，并寫出計算說明書，經(jīng)教師評審答辯后給出成績。整個過程中，學生并沒有將自己所設(shè)計的模具變成實物，對自己所設(shè)計的模具能否正常工作沒有明確認識。導師在指導過程中，也不可能對設(shè)計過程中的尺寸、裝配，工藝，精度等方方面面的錯誤一一指出，學生訓練效果就打了折扣。3D打印技術(shù)，可以允許以較低的材料成本，在模具設(shè)計過程中，將每個學生設(shè)計修改后的模具，打印出模型。學生自己就可以通過該模型，檢驗自己設(shè)計模具能否正常工作，尺寸是否有偏差，裝配關(guān)系是否正確等等各種問題，及時糾正自己的錯誤，提高效率，學習效果也得到大幅度提升。

三、3D打印對現(xiàn)有教學體系的擴展

3D打印與現(xiàn)有教學體系的融合，不僅僅在于對現(xiàn)

有教學內(nèi)容的深刻理解，更在于在現(xiàn)有基礎(chǔ)上的，教學 內(nèi)容進一步擴展和增加，培養(yǎng)基于3D打印思想的設(shè)計理念，正如盧秉恒院士在2015年8月份向國家領(lǐng)導人

匯報3D打印技術(shù)進展時所提到的，要加大培養(yǎng)具有

“3D打印思維”的人才，才能進一步提高專業(yè)技術(shù)人才的能力和素質(zhì)，更好發(fā)揮3D打印在整個工業(yè)體系中的作用等。

（一）基于3D打印的設(shè)計思維人才的培養(yǎng)

3D打印思維，是指針對3D打印加工特點的產(chǎn)品以及零部件結(jié)構(gòu)、功能和工藝等的設(shè)計方法和思路，是一種不同于面向傳統(tǒng)加工方法的設(shè)計思維。傳統(tǒng)加工方式采用減材制造，一次只能加工一個零件，需要充分考慮后繼的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝能力，在“功能—結(jié)構(gòu)—工藝”的鏈條中，后者對前者具有較強的制約作用。3D打印技術(shù)完全突破了這種束縛，在一定程度上，使得產(chǎn)品或者部件的功能設(shè)計隨心所欲，而不必擔心后繼的結(jié)構(gòu)和工藝限制。

但現(xiàn)有教學體系中，主要還是以傳授面向傳統(tǒng)減材制造的思維方式為主，體現(xiàn)的都是功能、結(jié)構(gòu)和工藝的相互制約關(guān)系。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，在工業(yè)體系中應用范圍的不斷擴大，培養(yǎng)具有3D打印思維的設(shè)計人才，是必然的發(fā)展趨勢。根據(jù)這種需求，在現(xiàn)有教學體系中，必然要求增加能夠體現(xiàn)3D打印思維的相關(guān)課程，將這種自由、快速的制造方式與空間、結(jié)構(gòu)和功能上的想象力以及專業(yè)素養(yǎng)結(jié)合起來，設(shè)計出傳統(tǒng)加工方法無法完成的新式產(chǎn)品和零部件，依托加工方式上的創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)品和零部件功能上與結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

（二）新增3D打印相關(guān)課程

3D打印新增設(shè)課程，根據(jù)專業(yè)現(xiàn)有體系的具體情況，可以增加2—4門。其一為整體介紹3D打印技術(shù)的課程，內(nèi)容可以包含SLS、SLM、FDM、SLA、LOM、3DP等

不同研究方向的工藝特點，使用材料，使用范圍，影響因素等等；其二可以針對某一種具體方向，比如FDM或者SLM，結(jié)合相關(guān)機器和設(shè)備，深入介紹該工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)，工作原理，工藝參數(shù)，材料性能，制件檢測等相關(guān)知識；其三可以開設(shè)體現(xiàn)整個3D打印工作流程的課程，比如逆向工程設(shè)計，簡要介紹從掃描技術(shù)、數(shù)據(jù)修復和處理、3D打印以及后繼熱等靜壓、表面處理的相關(guān)技術(shù)，給予學生熟悉整個工作流程，樹立逆向思維的設(shè)計理念；其四，還可以組織學生就整個流程中感興趣的內(nèi)容，進行深入學習。3D打印技術(shù)相關(guān)課程的開設(shè)，是對現(xiàn)有教學內(nèi)容體系有益、必要的補充，對完善學生知識架構(gòu)，促進學生對現(xiàn)有知識的深入理解和思考，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維，均具有重要意義。

3D打印作為一種最近三十年發(fā)展起來的新式技術(shù)，盡管顯示出了眾多的優(yōu)勢，但面臨的困難還很多，尤其在與現(xiàn)有課程的結(jié)合以及增設(shè)相關(guān)課程培養(yǎng)學生新式思維方面，需要繼續(xù)在發(fā)展過程中，根據(jù)專業(yè)需求，慢慢深入進一步摸索融合方式。但可以肯定地說，3D打印融入現(xiàn)有教學體系，是必然的發(fā)展趨勢，也必然會對學生現(xiàn)有知識的學習，以及新知識、新思維的擴展起到積極有益的作用。

參考文獻：

[1]楊潔，劉瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的創(chuàng)新應用 [J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2014，（1）.

[2]牛一帆.3D打印在教學中的應用研究[J].塑料包裝， 2015，（1）.

[3]莫雷.教育心理學[M].北京：教育科學出版社，2007：65.