3D打印技術(shù)及其在高等教育中的應(yīng)用

俞彥勤

摘? 要：敘述了3D打印技術(shù)的原理、類型及特點(diǎn)，分析了3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用，如作為傳統(tǒng)專業(yè)的融合，作為材料成型及控制工程專業(yè)的工藝方向，作為獨(dú)立設(shè)置的3D打印專業(yè)，基于3D打印技術(shù)的輔助教學(xué)，以及在創(chuàng)新教學(xué)模式與方法方面的應(yīng)用。其分析結(jié)果可供3D打印技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);高等教育;輔助教學(xué);教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0161-02

Abstract： This paper describes the principle， types and characteristics of 3D printing technology， and analyzes the application of 3D printing technology in higher education， such as the integration of traditional majors and the technological direction of material forming and control engineering， 3D printing as an independent device， the auxiliary teaching based on 3D printing technology， and the application of innovative teaching models and methods. The analysis results can be used as a reference for 3D printing technology in teaching application.

Keywords： 3D printing technology; higher education; auxiliary teaching; teaching model

3D打印即增材制造的俗稱，其核心就是把傳統(tǒng)制造方法中的減材制造（如切削加工、激光切割等）、等材制造（如鍛造、鑄造等）變成材料增加型制造，它被稱為顛覆傳統(tǒng)制造技術(shù)的新技術(shù)。3D打印起源于上世紀(jì)八十年代中期，歷經(jīng)三十余年的迅猛發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域，被譽(yù)為三次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印原理如圖1所示，首先利用切片軟件對(duì)零件的三維數(shù)字模型進(jìn)行分層切片（圖1（a）），每層厚度一般為0.1～0.2mm，得到各層截面的二維輪廓數(shù)據(jù)信息;成形頭（噴嘴）通過(guò)控制系統(tǒng)按照這些二維輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行噴涂粘結(jié)，分層制作各截面輪廓（圖1 （b））;各層順序疊加最后構(gòu)成三維制件（圖1 （c））。

2 3D打印技術(shù)種類[1]

（1）光固化立體成形SLA（Stereo Lithography Apparatus）用激光束使液態(tài)的光敏樹(shù)脂（如環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂等），液態(tài)光敏樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)而快速固化，逐漸堆積成形為所需形狀的技術(shù)。（2）疊層實(shí)體制造LOM（Laminated Object Manufacturing）是將片層材料（如紙、塑料薄膜、金屬箔等）單面涂覆一層熱熔膠，通過(guò)熱壓裝置使材料表面達(dá)到一定溫度，片層之間黏合在一起。激光切割系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)所獲得的零件分層輪廓數(shù)據(jù)，將片材切割出該層的內(nèi)外輪廓，激光每加工完一層，工作臺(tái)則下降相應(yīng)層高，然后將新一層片材疊加在上面，如此逐層堆積成三維實(shí)物。（3）選擇性激光燒結(jié)SLS（Selective Laser Sintering）是使用激光束對(duì)粉狀材料進(jìn)行分層掃描燒結(jié)。計(jì)算機(jī)控制激光束，按截面輪廓數(shù)據(jù)信息，對(duì)制件的實(shí)心部分所在粉末進(jìn)行掃描，當(dāng)粉末的溫度升至熔點(diǎn)時(shí)，粉末顆粒交界處熔化，使粉末相粘結(jié)，逐步得到各層輪廓而堆積成三維實(shí)體。（4）三維印刷成形法3DP（Three Dimension Printing），采用粉末材料（陶瓷或金屬粉末），通過(guò)噴頭粘結(jié)劑（如硅膠）將零件截面“印刷”在材料粉末上面，粘結(jié)劑燃燒消失后，金屬在高溫下滲入之，使制件致密且強(qiáng)度高。（5）熔融沉積制造FDM（Fused Deposition Modeling），也稱為熔絲制造FFF（Fused Filament Fabrication）是在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)零件三維數(shù)字模型截面輪廓信息，驅(qū)動(dòng)噴頭及工作臺(tái)沿X-Y平面方向做合成運(yùn)動(dòng)，使熔融的絲料涂覆并凝固在工作臺(tái)基底上，從而完成相應(yīng)截面層輪廓的涂覆，如此各層截面有序堆積，直至完成整個(gè)零件的堆積成形。

FDM方式目前較多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)踐教學(xué)。用于FDM方式進(jìn)行3D打印的材料主要是聚乳酸（PLA）。圖2為本項(xiàng)目FDM打印的制品。

3 3D打印技術(shù)特點(diǎn)

第一，無(wú)需傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，直接制造零件樣品。其次，產(chǎn)品研發(fā)周期短、材料利用率高、制造成本低。第三，可實(shí)現(xiàn)多品種、小批量、定制式的生產(chǎn)模式。第四，“所想即所得”，從理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)論多么復(fù)雜的模型，只要能通過(guò)計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)出來(lái)，3D打印就能夠打印出來(lái)。第五，集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控加工（CNC）、激光、新材料等學(xué)科的思想和方法，是先進(jìn)制造技術(shù)的前沿。是材料科學(xué)、信息技術(shù)、機(jī)械工程、控制技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的集成，具有多學(xué)科領(lǐng)域交叉、知識(shí)密集的特點(diǎn)。

4 3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用

4.1 與傳統(tǒng)專業(yè)的融合

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)等材制造技術(shù)如鍛造、鑄造等相融合[2]，使傳統(tǒng)的工匠技術(shù)煥發(fā)出時(shí)代的數(shù)字氣息。3D打印技術(shù)能將三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件設(shè)計(jì)的模型，通過(guò)3D打印機(jī)及其控制軟件快速地制作出實(shí)物零件，或直接制備出復(fù)雜的模具型腔，進(jìn)而縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及效益、降低生產(chǎn)成本。通過(guò)CAD/CAE/CAM軟件，設(shè)計(jì)制作個(gè)性化的模具零件[3]，使得學(xué)生即見(jiàn)即所得。對(duì)于鑄造工藝來(lái)說(shuō)，基于3D打印的鑄造技術(shù)，不會(huì)存在邊角余料的浪費(fèi)，無(wú)需木模芯，制備周期短，由于能打印復(fù)雜的形狀，使得鑄造質(zhì)量有更好的可控性。

4.2 設(shè)置3D打印技術(shù)專業(yè)

國(guó)內(nèi)高校目前將3D打印培養(yǎng)計(jì)劃設(shè)置在材料成型及控制工程本科專業(yè)（3D打印培養(yǎng)方向）。隨著社會(huì)對(duì)于3D打印專業(yè)技術(shù)人才需求的日益增加，專門設(shè)置3D打印專業(yè)并建立科學(xué)合理的專業(yè)教育體系與人才培養(yǎng)機(jī)制，已成為我國(guó)高校亟待研究的課題，國(guó)內(nèi)高校特別是高職院校已經(jīng)起步設(shè)置3D打印專業(yè)[4]，并進(jìn)行了人才培養(yǎng)體系的研究，在該專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課程構(gòu)建體系、師資隊(duì)伍及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)。圍繞3D打印技術(shù)原理、增材制造工藝與裝備、3D打印材料、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造、建模技術(shù)（含逆向工程）、切片軟件工程、三維數(shù)字測(cè)量技術(shù)等核心課程，來(lái)進(jìn)行人才的理論與實(shí)踐的培養(yǎng)。

4.3 基于3D打印技術(shù)的輔助教學(xué)

由于3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界物體的快速轉(zhuǎn)換，即將計(jì)算機(jī)中的虛擬模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)零件，因而在建筑、機(jī)械、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、考古等眾多學(xué)科中均可通過(guò)3D打印制作相關(guān)的仿真模型。機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)過(guò)程，可利用3D打印技術(shù)進(jìn)行典型機(jī)械零件的制作，如軸承、減速器等，可將抽象的零件可視化，并使零件復(fù)雜裝配可操作化，從而大大提高學(xué)習(xí)效果;建筑專業(yè)可以對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑作品實(shí)現(xiàn)微縮打印，并對(duì)打印出的作品進(jìn)行美學(xué)等評(píng)估;考古專業(yè)可以對(duì)古董或工藝品進(jìn)行復(fù)原或修復(fù)，或者是對(duì)原物進(jìn)行三維掃描，為其建立并保存三維數(shù)字模型。動(dòng)漫設(shè)計(jì)專業(yè)可以將構(gòu)思設(shè)計(jì)的動(dòng)漫角色人物打印出來(lái)，實(shí)現(xiàn)角色的現(xiàn)實(shí)化，解決了長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)加工無(wú)法滿足動(dòng)漫模型加工的難題。醫(yī)學(xué)專業(yè)，可以打印出病毒、器官、骨骼等模型，為臨床實(shí)踐課提供可視化的教具或?qū)嶓w。如骨科臨床教學(xué)實(shí)踐中，由于實(shí)體標(biāo)本來(lái)源有限，原來(lái)主要是結(jié)合X片、CT、磁共振成像（MRI）以及課本插圖來(lái)講解，即使是后來(lái)的多媒體、視頻講解，也都只是平面性質(zhì)的講解，缺乏立體直觀感和可操作性，而用3D打印技術(shù)能制造出一定比例的實(shí)體模型，將二維的影像資料以三維實(shí)體模型展現(xiàn)出來(lái)，將各種解剖結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，極大地提高了臨床教學(xué)效果?；瘜W(xué)專業(yè)可以打印出分子的立體結(jié)構(gòu)模型。汽車及航空航天專業(yè)，可以通過(guò)3D打印得出所設(shè)計(jì)的汽車或航空航天器的外觀，對(duì)其進(jìn)行美學(xué)評(píng)估、動(dòng)力學(xué)分析或者是進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等。

4.4 創(chuàng)造先進(jìn)教學(xué)模式與方法

第一，創(chuàng)客教育[5]（Maker Education）即基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)，以3D打印為創(chuàng)客平臺(tái)構(gòu)建起充滿活力的創(chuàng)客空間，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其創(chuàng)造能力以及協(xié)同合作能力。第二，學(xué)生通過(guò)自己設(shè)計(jì)模型，個(gè)性化的模型打印教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生“在做中學(xué)”，其學(xué)習(xí)知識(shí)內(nèi)化，既提高了學(xué)習(xí)效率，也符合“以學(xué)生為中心”的先進(jìn)教學(xué)理念。第三，基于STEM的創(chuàng)新能力培養(yǎng)[6]。STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）四門學(xué)科的有機(jī)整合與多學(xué)科交融領(lǐng)域，STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生在紛雜的學(xué)習(xí)情境中獲得設(shè)計(jì)、合作、復(fù)雜問(wèn)題解決能力。毫無(wú)疑問(wèn)，3D打印技術(shù)具備科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)特別是數(shù)學(xué)建模等特征，將成為STEM實(shí)踐教育的有力工具。第四，高等教育教學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的框架式知識(shí)記憶模式發(fā)展為 “基于問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式（Problem-Based Learning，PBL）”，基于3D打印技術(shù)的PBL教學(xué)模式，極大地提高了教學(xué)效果及學(xué)生的動(dòng)手能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

3D打印具有數(shù)字化、智能化的時(shí)代特征，不僅為傳統(tǒng)專業(yè)帶來(lái)活力，而且因?yàn)樽陨碇R(shí)的綜合性、系統(tǒng)性而終將成高等或高職教育的專業(yè)。3D打印技術(shù)除了直接應(yīng)用于高等教育教學(xué)之外，還帶來(lái)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面的創(chuàng)新。

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