3D打印技術在包裝工程專業(yè)教學中的應用

姜凱譯 王桂英 徐淑艷 郭艷玲

摘要從3D打印的技術特點及發(fā)展現(xiàn)狀探索該技術在包裝工程專業(yè)教學中的應用的新教學模式，拓展教師的教學手段，簡化授課內容，提升學生的學習積極性、動手能力和創(chuàng)新性，擴展學生的技能范圍。

關鍵詞3D打??；包裝工程；創(chuàng)新性；學生主體

中圖分類號S-01文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）32-0246-02

Application of 3D Printing in Packaging Engineering Education

JIANG Kaiyi，WANG Guiying，XU Shuyan et al（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040）

AbstractThis paper presented the characteristics and development state of 3D printing technology，and explored the new teaching mode of the application of 3D printing in packaging engineering education，expanded teachers teaching method，simplified teaching content，improving students enthusiasm，manipulative and innovation ability，and extended their range of skills.

Key words3D printing，packaging engineering，innovation，studentdominated

3D打印技術是一種快速原型技術，被廣泛認為是第三次工業(yè)革命最具標志性的生產工具，其對社會多個行業(yè)和領域帶來的深刻影響已經逐漸凸顯。隨著3D打印技術的發(fā)展，3D打印在教育領域中的應用受到研究者的關注，一些國家和組織也開始對3D打印的教育應用進行探索。新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC） 2013地平線報告中提出，3D打印是未來四五年值得關注的新技術，將帶來教學和研究領域的創(chuàng)新。如何有效地將其應用到學習領域，為用戶提供學習支持，還有待深入研究。目前，在包裝工程教育中，3D打印技術的應用還是一個嶄新的領域，有許多問題值得研究和探討，但可以肯定的是，3D打印技術能夠提供的教學手段、學習方式及教學效果毋庸置疑。

13D打印技術

“3D 打印”是通俗叫法，其學術名稱為快速原型技術 （Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），也稱增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）。區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造方式，3D打印技術是基于增材制造原理的一種快速原型技術。整個制備過程不需要模具，也不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床，縮短產品的生產周期，降低原型產品的開發(fā)成本；且理論上可打印任意復雜形狀的工件，加工柔性大大提高[1]?？偙旧蟻碇v，3D打印過程可以分為3個階段。

1.1三維模型設計階段

進行3D打印之前，首先要設計完整的三維模型。該三維模型應該滿足所要選擇的3D打印技術的制造要求，包括最大尺寸、最小尺寸、支撐結構等，以保證在進行3D打印加工時可以實現(xiàn)所設計模型的全部要素，保證形狀精度及尺寸精度。目前，市場上幾乎所有的三維造型軟件，如ProE、Solid Works、SketchUP、AutoCAD、3D Max等均可以用于設計三維模型，最終另存為STL格式的文件即可用于3D打印。也可以通過反求工程，利用三維掃描儀、CT等手段對實體進行掃描得到其三維數(shù)字模型。另外，還可以對二維的照片進行灰度處理，然后使用PS或ArtCam Pro將灰度圖片處理得到具有一定厚度的三維浮雕模型。用戶可以根據(jù)不同的需求選擇合適的三維建模方式進行設計。

1.2三維模型打印階段

在3D打印階段，打印機首先對STL格式的三維數(shù)字模型進行切片，根據(jù)所獲得的每一層橫截面的輪廓信息控制3D打印機制將所分割的每一層打印出材料片層，再逐層疊加，最終獲得所要的實體模型，實現(xiàn)了數(shù)字模型到實體零件的直接快速成型。目前隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術也不斷發(fā)展并擁有多個分支，包括分層實體制造技術（LOM）、立體光刻技術（SLA）、 熔融擠出技術（FDM）和選擇性激光燒結技術（SLS）等。3D打印材料主要有尼龍材料、金屬材料、石蠟材料、橡膠材料、生物材料、工程塑料、光敏樹脂、纖維增強復合材料、木塑/石塑復合材料等。對于不同的3D打印技術，材料形態(tài)也分為線材、液體、粉末3種，可滿足不同場合的使用要求。

1.3打印件后處理階段

后處理是3D打印技術不可缺少的一個階段。在熔融擠出和立體光刻加工過程中，一些模型的斜面需要支撐結構才能完成打印，在打印完成之后就需要通過后處理來去除多余的支撐結構，從而獲得最終的模型。在激光燒結加工過程中，由于原材料為粉末狀態(tài)，只是通過激光作為熱源在無壓的情況下使粉末融化黏結，因此需要由后處理階段對成型件進行增強。同時，對于3D打印的實體，一般都會有毛刺或是部分粗糙的表面，都需要在后處理階段對成型件表面進行打磨處理。另外也可以根據(jù)需要對打印件進行著色處理?？傊ㄟ^后處理階段，使3D打印制件可以滿足不同場合的需求。

目前，為了更好地推廣3D打印服務，使其更好地服務大眾，基于云計算技術、網絡技術及移動技術的為用戶提供設計及打印的相關服務已經嶄露頭角。在不遠的將來，大批3D打印機將形成制造網絡，并與互聯(lián)網、物聯(lián)網無縫連接，形成復雜的社會制造網絡系統(tǒng)，滿足人們的各種需求。

23D 打印在教學應用中的研究現(xiàn)狀

3D打印技術因其高柔性的加工制造方式以及廣泛的材料選擇范圍，為諸多領域的發(fā)展提供了一種新的技術手段，從而不斷加速各領域的革新。目前，已經有一些國家和學者開始重視將3D打印技術引入到教育領域的研究，試圖利用這種“所想即所得”的先進制造技術引發(fā)一場教師與學生教與學的模式變革。

英國教育部于2012年10月，以21個學校為試點[2]，將3D打印技術應用到數(shù)學、物理、計算機科學、工程和設計等課程中，探索3D打印的教學應用，推動教學創(chuàng)新。美國政府也在大力推動3D打印技術與學校教育結合。美國前總統(tǒng)奧巴馬于2013年2月在國情咨文演講中強調了3D打印技術的重要性。隨后，美國熔融沉積3D打印龍頭企業(yè)Makerbot公司計劃讓全美所有學校擁有3D打印機。2014年6月，在美國白宮首次舉辦的創(chuàng)客DIY發(fā)布會中，第一次宣布了將在全美中小學校引入3D打印技術。同時，美國也批準了MENTOR項目計劃，實施美國高校3D打印機的使用推廣活動，激發(fā)學生的發(fā)散思維和提高創(chuàng)新能力，從而更好地進行設計、制造和理論科學的學習和實踐。另外Stratasys公司也專門推出一款新型產品Object30睿智，專門用于高等教育中。意大利理論物理國際研究中心（ICTP）充分證實了3D打印技術進入教育領域的必要性。

我國雖然對于3D打印的研究起步較晚，但是近些年來發(fā)展勢頭迅猛，也充分意識到3D打印技術的重要性。目前在北京、上海等地多所中小學校已經引入3D打印，用于提高學生的動手能力和學習興趣[3]。同時，多所高校也在嘗試著將3D打印技術引入專業(yè)教育中，如機械、土木、工業(yè)設計等，在提升教學質量、激發(fā)學生學習興趣等方面已初見成效[4]。

33D打印技術在包裝工程教學中的應用

3.13D打印技術提高包裝結構課程教學效果

包裝結構在包裝工程教學中是主要課程之一，傳統(tǒng)的教學方法一般都是教師通過二維的圖片或部分教具向學生進行展示，并且傳統(tǒng)模型一旦采購完成，很難再改變形狀和大小，不適應發(fā)展的需要。特別是對于具有特殊設計的包裝結構，無法給學生進行實物的展現(xiàn)以提供給學生直觀的刺激，學生也只能通過想象來獲得信息，從而使教學效果大打折扣。

3D打印技術的應用大大地拓展了教師的教學手段，3D 打印的模型相對于傳統(tǒng)教學模型來說：一是制作靈活，可以按需定制；二是相對輕便，大小自由控制，而對于具有代表性的包裝結構，教師可以采用3D打印技術獲得實物，通過實物進行教學，可以給學生最直觀、最真實的感官認識，對于一些具有特殊功能的結構，學生也可以直接通過實物演示掌握知識點，教師對于課程的講授可謂事半功倍，學生對相關知識點的學習也是易懂而深刻。

另一方面，對于包裝工程的學生來說，使用三維設計軟件進行模型設計是必須掌握的技能之一，對于該類課程的講授，教師通過講解和演示將基本功能介紹給學生，學生通過練習進行模型的設計，所設計的模型往往只是存在于電腦之中，因此設計是否合理，只能通過教師的經驗進行評判，評判標準不易規(guī)范；同時理論與實踐的差距使學生也不能確定自己的想法是否與實際應用相符合。然而，3D打印技術的“所想即所得”使得學生可以很容易獲得自己設計的實物，因此對于其美觀及功能的評判一目了然，教師易于指導，學生易于理解，從而最終不僅加深了學生對于軟件的掌握，也提升了學生的設計能力及理念。

3.23D打印技術激發(fā)學生的主動學習意識

隨著科技及經濟的發(fā)展，包裝工程在滿足日常使用需求的基礎上，也正向著個性化、可定制性、先進功能性等方向快速發(fā)展[5]。這就要求本專業(yè)的學生具有自主學習和創(chuàng)新能力，而3D打印技術的“所想即所得”的高柔性加工完全可以激發(fā)學生的自主學習以及創(chuàng)新的熱情。在包裝產品的設計中，學生采用3D打印技術快速精準地加工獲得自己的設計，可直觀檢驗自己設計的優(yōu)缺點，以及是否滿足功能性需求，從而使學生能夠對所設計的結構進行自評自修。學生在教師的指導下，通過探索、發(fā)現(xiàn)、想象、實踐等環(huán)節(jié)進行自主學習，從傳統(tǒng)的填鴨式教學變?yōu)樽灾魈骄繉嶒瀸W習。

3.33D打印技術激發(fā)學生的創(chuàng)新意識

學習的成果可以通過3D打印立竿見影地體現(xiàn)出來。學生的任何想法、靈感都可以用3D打印技術實現(xiàn)，吸引學習者的學習興趣，增強學習成就感，激發(fā)學習熱情。學習者變?yōu)橹R的主動建構者，促進課程改革，便于提高學生學習的積極性和創(chuàng)新意識[6]。

4總結

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，設備成本逐漸下降，從而加速了其平民化的推廣普及速度，其先進的加工制造能力無移架起了包裝工程教學中虛擬與現(xiàn)實的一座橋梁，特別在包裝結構設計教學中，使用3D打印技術可以將軟件設計的虛擬模型快速精準地轉化為現(xiàn)實中的真實物品，不但豐富了教師的教學道具，強化了學生認知，提升教學效果，而且使學生的設計得以實現(xiàn)，為學生的作品展示提供便利，通過設計實物的直觀檢驗而反饋設計的優(yōu)缺點，大大促進了學生的主動學習及創(chuàng)新意識發(fā)展。

參考文獻

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王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經濟縱橫，2013（1）：90-93.

[2] 3D打印技術在英國學校試點 由教育部門發(fā)起[EB/OL].（2013-01-04）[2017-08-05].http：//cn.world3dassociation.com/dong/2013-01-04/20495.html.

[3] 魏哲哲.讓學生創(chuàng)意變成現(xiàn)實[N].人民日報，2015-02-05（018）.

[4] 張明潔.3D打印在高等教育教學中的應用研究[J].江蘇科技信息，2015（22）：68，69.

[5] 黃麗婕，王曉彤，周雷，等.3D打印在包裝工業(yè)中的應用與前景[J].工程塑料應用，2016，44（4）： 122-126.

[6] 成思源，周小東，楊雪榮，等.基于3D打印技術的實驗教學[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：158-161.