3D打印及其教育應(yīng)用

張文平 周倩 李緒林

摘 要：3D打印是基于離散、堆積原理的一種嶄新的加工方式，是信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的產(chǎn)物。目前，一些教育機(jī)構(gòu)和組織已經(jīng)開(kāi)始重視其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，并嘗試將其應(yīng)用于課程教學(xué)及綜合教育（如STEM）中。本文介紹了3D打印的原理及其發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，探討了3D打印在高職教育中的應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：3D打?。豢焖俪尚?；增材制造；高職教育；教育技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0165-03

3D Printing and Its Educational Application

ZHANG Wenping，ZHOU Qian，LI Xulin

（Shandong Labor Vocational and Technical College，Jinan 250022，China）

Abstract：3D printing is a new processing method based on discrete and stacking principle，and is the product of the development of information technology，new material technology and manufacturing technology. At present，some educational institutions and organizations have begun to attach importance to its application in the field of education，and try to apply it to curriculum teaching and comprehensive education （such as STEM）. This paper introduces the principle and development status of 3D printing，summarizes the application of 3D printing in the field of education，and probes into the application mode of 3D printing in higher vocational education.

Keywords：3D printing；rapid prototyping；additional material manufacturing；higher vocational education；educational technology

0 引 言

3D打印是人類通過(guò)對(duì)物質(zhì)（材料單元）進(jìn)行可控的動(dòng)態(tài)累積以逼近目標(biāo)形體的一種生產(chǎn)過(guò)程，是直接從三維CAD數(shù)據(jù)模型通過(guò)組裝堆積（現(xiàn)階段主要是分層堆積）來(lái)制造任意復(fù)雜形狀零件的技術(shù)，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)減材制造和等材制造的先進(jìn)制造技術(shù)，其不需要刀具夾具或模具就可以生產(chǎn)出滿足使用功能要求的任意形狀的零件。3D打印又稱增材制造，是世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3D打印技術(shù)涵蓋了眾多工藝，目前發(fā)展較為成熟的已有十余種工藝方法。其中發(fā)展歷史較長(zhǎng)且應(yīng)用較廣的主要有粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光選區(qū)熔化（SLM）、熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三維立體印刷（3DP）。自2012年以來(lái)，受到3D打印新材料、軟件、新工藝及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)步的推動(dòng)，3D打印技術(shù)高速發(fā)展[1]。如今，它已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室和工廠逐漸走出來(lái)，走進(jìn)學(xué)校和家庭。

1 3D打印的制作流程及其特點(diǎn)

雖然可以用于3D打印的材料種類繁多，工藝方法各不相同，但其基本流程大體一致，主要分為三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取、模型分層、層截面的制造與累加、模型后處理四個(gè)階段。以圖1所示模型為例來(lái)詳細(xì)介紹其制作流程，所用設(shè)備為陜西恒通智能機(jī)器有限公司生產(chǎn)的激光快速成型機(jī)SPS350B，數(shù)據(jù)處理軟件為RP Data 10.5。

1.1 模型數(shù)據(jù)的獲取

通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件（UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks等）完成零件的三維建模；或者通過(guò)三維掃描設(shè)備獲得現(xiàn)有產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用逆向造型軟件（Geomagic、Imageware等）進(jìn)行處理，獲得三維CAD模型。然后將數(shù)據(jù)模型輸出為STL格式的CAD文件。

1.2 添加支撐并切片分層

將STL文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件RP Data 10.5，在模型不是特別復(fù)雜的情況下，可以自動(dòng)添加支撐，然后自動(dòng)分層，而不用手動(dòng)修改，最后輸出SLC的模型制作文件。

1.3 層截面的制造與累加

打開(kāi)激光快速成型機(jī)SPS350B的RPBuild控制程序，加載SLC成型數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入默認(rèn)的工藝參數(shù)，激光逐層掃描光敏樹脂，完成模型的制作。該模型實(shí)例加支撐總高度為119.4mm，總層數(shù)為1195，其中基礎(chǔ)層數(shù)60，填充掃描速度為7000mm/s，輪廓掃描速度為6000mm/s，完成制作實(shí)際耗時(shí)7小時(shí)15分鐘。

1.4 模型后處理

用酒精清洗模型，去掉模型制作時(shí)的輔助支撐，并對(duì)其進(jìn)行吹干、固化處理，完成所需要模型的制作。如果用傳統(tǒng)的去除材料的方式加工，工藝路線復(fù)雜，加工難度大，而應(yīng)用3D打印完成起來(lái)卻非常容易。在不考慮工藝參數(shù)調(diào)整、UV光束功率檢測(cè)及光路調(diào)整、樹脂零位檢測(cè)等操作的情況下，非專業(yè)人員只要簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可掌握工藝流程，學(xué)會(huì)操作3D打印機(jī)。而且，民用桌面型3D打印機(jī)要比上述工業(yè)型3D打印機(jī)的操作更簡(jiǎn)單。3D打印機(jī)的這種易用和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使得產(chǎn)品制造、材料加工走出了工科領(lǐng)域和機(jī)械制造行業(yè)，廣大沒(méi)有機(jī)械加工相關(guān)知識(shí)背景的人員，也能夠簡(jiǎn)便操作3D打印設(shè)備，把自己需要的產(chǎn)品從虛擬變成現(xiàn)實(shí)。

2 3D打印的教育應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 3D打印在傳統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[2]，英國(guó)教育部以21個(gè)學(xué)校作為試點(diǎn)，在工程和設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理和數(shù)學(xué)等課程中應(yīng)用3D打印技術(shù)，探索其在教學(xué)中的應(yīng)用，推動(dòng)教育教學(xué)創(chuàng)新。在FullSail大學(xué)，同學(xué)們首先通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)人偶，然后3D打印出塑料模型來(lái)制作3D漫畫人物?，旣悺とA盛頓大學(xué)的設(shè)計(jì)入門課程中將3D打印機(jī)作為輔助手段，學(xué)生自己設(shè)計(jì)或掃描實(shí)物，3D打印實(shí)物模型，然后進(jìn)行試驗(yàn)并改進(jìn)。在弗吉尼亞大學(xué)，學(xué)生們3D打印出一架模型飛機(jī)并試飛成功，該模型的零部件都是3D打印制造的。國(guó)內(nèi)許多高校也都在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以把同學(xué)們的設(shè)計(jì)作品轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。

2.2 3D打印在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用

傳統(tǒng)的學(xué)科體系下，各學(xué)科知識(shí)量非常大，同時(shí)又不斷涌現(xiàn)新知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生負(fù)擔(dān)重，所學(xué)學(xué)科數(shù)量多。通過(guò)實(shí)踐性學(xué)習(xí)方式，將相關(guān)知識(shí)進(jìn)行綜合，可以減少所學(xué)學(xué)科科目的數(shù)量[3]。綜合教育強(qiáng)調(diào)將各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行有效的組織和綜合。在美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，綜合教育獲得了很多政策支持，推進(jìn)了很多以綜合教育為內(nèi)容的研究項(xiàng)目。

3D打印也被應(yīng)用于綜合教育技術(shù)中，比如與技術(shù)教育相關(guān)的綜合教育理論STS、MST、STEM及STEAM等幾種教育模型[4]。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡(jiǎn)寫，STEM教育過(guò)程不是將原有的四門學(xué)科知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是需要把分散學(xué)科內(nèi)容自然組合從而形成有機(jī)整體。STARBASE Minnesota是一個(gè)對(duì)學(xué)生提供STEM訓(xùn)練的教育項(xiàng)目。如在一門航空訓(xùn)練課程中，學(xué)生們先學(xué)習(xí)火箭機(jī)翼設(shè)計(jì)的理論知識(shí)，然后通過(guò)設(shè)計(jì)軟件自行設(shè)計(jì)火箭的機(jī)翼，通過(guò)3D打印技術(shù)制造出模型后，裝配測(cè)試所設(shè)計(jì)的機(jī)翼對(duì)火箭飛行的影響，然后進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用3D打印技術(shù)后，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[2]。

隨著3D打印在高等教育領(lǐng)域備受青睞，一些教育實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了很多應(yīng)用3D打印技術(shù)的新課程，涉及設(shè)計(jì)、電子和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科內(nèi)容的整合。國(guó)內(nèi)外很多高校建立了專用實(shí)驗(yàn)室并積極探究如何創(chuàng)造性地使用該技術(shù)，例如麻省理工學(xué)院微觀裝配實(shí)驗(yàn)室（The Fab Lab）配備了激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、電路板以及更多設(shè)備，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室被定位為學(xué)習(xí)和制造基于數(shù)字技術(shù)裝置的場(chǎng)所。

3 3D打印在高職教育中的應(yīng)用模式探討

3.1 應(yīng)用于相關(guān)課程教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生立體化獲取和理解知識(shí)

3D打印把抽象的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的立體模型，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3D打印從設(shè)計(jì)、制作、展示等方面融入到學(xué)習(xí)過(guò)程中，為學(xué)習(xí)開(kāi)辟了新的空間，能夠較好的體現(xiàn)“經(jīng)驗(yàn)之塔”中做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)三種層次的經(jīng)驗(yàn)的融合，從而提升學(xué)習(xí)效果。

在機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中，可引入3D打印作為有效的教學(xué)和評(píng)估輔助手段。近些年，高職計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程已經(jīng)廣泛采用了項(xiàng)目教學(xué)，任課教師領(lǐng)著學(xué)生一步一步完成課程中設(shè)計(jì)實(shí)例的操作。相比較傳統(tǒng)的操作命令的教授方式，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和教學(xué)效果都有了很大的提高。但整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程依然很抽象，對(duì)于高職學(xué)生，即在主流教育中表現(xiàn)不好的學(xué)生而言，這種學(xué)習(xí)方法還是大家所不擅長(zhǎng)的，且其對(duì)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)不夠。而把3D打印作為教學(xué)手段應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，卻可以從根本上改變整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。根據(jù)本人在UG、模具設(shè)計(jì)與制造等課程的項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于3D打印的教學(xué)模式做如下構(gòu)想：采用分組教學(xué)，教師講解完項(xiàng)目實(shí)例的設(shè)計(jì)后，同學(xué)們按照設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用豐富的課程資源，進(jìn)行小組討論和自主學(xué)習(xí)，然后完成設(shè)計(jì)，借助3D打印得到模型實(shí)物，根據(jù)模型實(shí)物評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)效果，如需要，可以改進(jìn)設(shè)計(jì)重新打印，直到得到符合設(shè)計(jì)要求的滿意作品。

3D打印技術(shù)也可以引入高職機(jī)電類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，如工程力學(xué)、機(jī)械零件、機(jī)械設(shè)計(jì)等。將3D打印應(yīng)用于這些課程的教學(xué)中，可以將抽象的概念具體化，從而提高教學(xué)質(zhì)量。如：羅徹斯特理工學(xué)院的教師在靜力學(xué)課程中，讓學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)橋梁并計(jì)算橋梁受力，所設(shè)計(jì)的橋梁按比例3D打印后進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)受力效果。

3.2 開(kāi)設(shè)跨學(xué)科、交叉型“邊做邊學(xué)”的項(xiàng)目教學(xué)課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

新的人才需求形勢(shì)下，需要不斷探索新的教學(xué)模式[4]。推動(dòng)STEM等綜合教育項(xiàng)目，是3D打印技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)開(kāi)發(fā)、改革的重要任務(wù)之一。

設(shè)計(jì)軟件和3D打印都不是此類課程計(jì)劃的焦點(diǎn)，而是利用技術(shù)通過(guò)應(yīng)用抽象概念解決有趣的問(wèn)題，進(jìn)而幫助學(xué)生了解并掌握抽象概念。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)正在降價(jià)，教師和學(xué)生能夠直接體驗(yàn)設(shè)計(jì)和工程加工。將來(lái)，我們可以創(chuàng)立更多的類似于“邊做邊學(xué)”的綜合教育課程。

類似于Fab@school項(xiàng)目或STEM課程，設(shè)想可以在機(jī)電類專業(yè)開(kāi)設(shè)跨學(xué)科綜合教育課程“3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)制作”，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的自我復(fù)制與升級(jí)。首先由教師和學(xué)生根據(jù)使用要求進(jìn)行總體的構(gòu)思設(shè)計(jì)，然后以學(xué)生為主導(dǎo)完成外觀、機(jī)床本體、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)裝置、輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用開(kāi)源3D打印數(shù)控系統(tǒng)，完成3D打印機(jī)組裝和調(diào)試。通過(guò)該課程的項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生既綜合地學(xué)習(xí)掌握了電氣控制與PLC、伺服原理、檢測(cè)元件及電路、機(jī)械原理等相關(guān)知識(shí)，且通過(guò)“邊做邊學(xué)”培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)新能力及積極解決問(wèn)題的能力。

3.3 掌握3D打印新技術(shù)，提供一條創(chuàng)業(yè)就業(yè)的新途徑

在我國(guó)，相關(guān)主管部門對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了規(guī)劃和支持?？萍疾坑?013年首次將3D打印編入《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）》。工信部2015年發(fā)布《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》。2016年《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》提出要加快3D生物打印。2017年科技部下發(fā)了《科技部關(guān)于印發(fā)“十三五”先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃的通知》，工信部等12部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》。目前，各級(jí)地方政府成立了20多個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)基地和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值從2012年的22億美元增長(zhǎng)到2017年的78億美元。麥肯錫預(yù)測(cè)，到2025年，3D打印潛在的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)到2300-5500億美元。

隨著3D打印產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，未來(lái)需要大量3D打印技術(shù)人才，包括設(shè)計(jì)、建模、3D打印機(jī)操作及維修等，這必將提供大量的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)。所以廣大高校有必要抓住機(jī)遇，新增3D打印技術(shù)新專業(yè)，或者在數(shù)控、模具等專業(yè)中設(shè)立3D打印技術(shù)方向，以滿足3D打印技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展所帶來(lái)的巨大人才需求，為我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供人才支撐。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)最初的應(yīng)用僅僅是局限于那些被認(rèn)為與“計(jì)算機(jī)相關(guān)”的課堂，例如編程課，或者可能是數(shù)學(xué)課。但這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化，今天每個(gè)教室都在使用計(jì)算機(jī)，每個(gè)課堂（從歷史課到藝術(shù)課）都在使用計(jì)算機(jī)。更為重要的是，計(jì)算機(jī)已經(jīng)打開(kāi)了教授和學(xué)習(xí)科學(xué)的全新方法的大門，并且這種改變結(jié)束的可能性遙遙無(wú)期[1]。

3D打印有可能延續(xù)相同的道路。目前，3D打印僅為高校相關(guān)課堂所采用，例如工業(yè)設(shè)計(jì)類、機(jī)械類等專業(yè)的設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)等課堂?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著3D打印技術(shù)的更加智能化、通用化，在將來(lái)，3D打印會(huì)被更多的課堂所采用。3D打印將打開(kāi)教授和學(xué)習(xí)科學(xué)的全新方法的大門，且其實(shí)際應(yīng)用前景已非常明朗。

參考文獻(xiàn)：

[1] [美]胡迪·利普森，梅爾芭·庫(kù)曼.3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí) [M].北京：中信出版社，2013.

[2] 王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探 [J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2013（8）：83-87.

[3] 李昭伊，劉君，盧泰天.韓國(guó)技術(shù)教育發(fā)展的最新動(dòng)向——以STEAM模型為中心的技術(shù)教育課程設(shè)計(jì) [J].教育研究與評(píng)論：技術(shù)教育，2011（5）：13-19.

[4] 姜大源.論高等職業(yè)教育課程的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)——關(guān)于工作過(guò)程系統(tǒng)化課程開(kāi)發(fā)的解讀 [J].中國(guó)高教研究，2009（4）：66-70.

作者簡(jiǎn)介：張文平（1982-），男，漢族，山東濟(jì)南人，副教授，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。