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，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，作為獨立設(shè)置的3D打印專業(yè)，基于3D打印技術(shù)的輔助教學，以及在創(chuàng)新教學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;教學模式

中圖分類號：TP391.73 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：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)用于機械、電子、醫(yī)學、航空航天等領(lǐng)域，被譽為三次工業(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零件的三維數(shù)字模型進行分層切片（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）通過控制系統(tǒng)按照這些二維輪廓數(shù)據(jù)進行噴涂粘結(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)的光敏樹脂（如環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等），液態(tài)光敏樹脂發(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，通過熱壓裝置使材料表面達到一定溫度，片層之間黏合在一起。激光切割系統(tǒng)根據(jù)計算機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物。（3）選擇性激光燒結(jié)SLS（Selective Laser Sintering）是使用激光束對粉狀材料進行分層掃描燒結(jié)。計算機控制激光束，按截面輪廓數(shù)據(jù)信息，對制件的實心部分所在粉末進行掃描，當粉末的溫度升至熔點時，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）是在計算機的控制下，根據(jù)零件三維數(shù)字模型截面輪廓信息，驅(qū)動噴頭及工作臺沿X-Y平面方向做合成運動，使熔融的絲料涂覆并凝固在工作臺基底上，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，直至完成整個零件的堆積成形。

FDM方式目前較多應(yīng)用于實驗室環(huán)境下的實踐教學。用于FDM方式進行3D打印的材料主要是聚乳酸（PLA）。圖2為本項目FDM打印的制品。

3 3D打印技術(shù)特點

第一，無需傳統(tǒng)的加工機床和工模具，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”，從理論上來說，無論多么復雜的模型，只要能通過計算機三維軟件設(shè)計出來，3D打印就能夠打印出來。第五，集中體現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數(shù)控加工（CNC）、激光、新材料等學科的思想和方法，是先進制造技術(shù)的前沿。是材料科學、信息技術(shù)、機械工程、控制技術(shù)等多學科技術(shù)的集成，具有多學科領(lǐng)域交叉、知識密集的特點。

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)出時代的數(shù)字氣息。3D打印技術(shù)能將三維計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件設(shè)計的模型，通過3D打印機及其控制軟件快速地制作出實物零件，或直接制備出復雜的模具型腔，進而縮短了產(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CAD/CAE/CAM軟件，設(shè)計制作個性化的模具零件[3]，使得學生即見即所得。對于鑄造工藝來說，基于3D打印的鑄造技術(shù)，不會存在邊角余料的浪費，無需木模芯，制備周期短，由于能打印復雜的形狀，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)

國內(nèi)高校目前將3D打印培養(yǎng)計劃設(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）。隨著社會對于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)并建立科學合理的專業(yè)教育體系與人才培養(yǎng)機制，已成為我國高校亟待研究的課題，國內(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、師資隊伍及實驗室建設(shè)等方面積累了一些經(jīng)驗。圍繞3D打印技術(shù)原理、增材制造工藝與裝備、3D打印材料、計算機輔助設(shè)計及制造、建模技術(shù)（含逆向工程）、切片軟件工程、三維數(shù)字測量技術(shù)等核心課程，來進行人才的理論與實踐的培養(yǎng)。

4.3 基于3D打印技術(shù)的輔助教學

由于3D打印技術(shù)能實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界物體的快速轉(zhuǎn)換，即將計算機中的虛擬模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實零件，因而在建筑、機械、醫(yī)學、藝術(shù)、考古等眾多學科中均可通過3D打印制作相關(guān)的仿真模型。機械類專業(yè)的教學過程，可利用3D打印技術(shù)進行典型機械零件的制作，如軸承、減速器等，可將抽象的零件可視化，并使零件復雜裝配可操作化，從而大大提高學習效果;建筑專業(yè)可以對所設(shè)計的建筑作品實現(xiàn)微縮打印，并對打印出的作品進行美學等評估;考古專業(yè)可以對古董或工藝品進行復原或修復，或者是對原物進行三維掃描，為其建立并保存三維數(shù)字模型。動漫設(shè)計專業(yè)可以將構(gòu)思設(shè)計的動漫角色人物打印出來，實現(xiàn)角色的現(xiàn)實化，解決了長期以來傳統(tǒng)加工無法滿足動漫模型加工的難題。醫(yī)學專業(yè)，可以打印出病毒、器官、骨骼等模型，為臨床實踐課提供可視化的教具或?qū)嶓w。如骨科臨床教學實踐中，由于實體標本來源有限，原來主要是結(jié)合X片、CT、磁共振成像（MRI）以及課本插圖來講解，即使是后來的多媒體、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體模型，將二維的影像資料以三維實體模型展現(xiàn)出來，將各種解剖結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)給學生，極大地提高了臨床教學效果。化學專業(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3D打印得出所設(shè)計的汽車或航空航天器的外觀，對其進行美學評估、動力學分析或者是進行風洞實驗等。

4.4 創(chuàng)造先進教學模式與方法

第一，創(chuàng)客教育[5]（Maker Education）即基于創(chuàng)造的學習，以3D打印為創(chuàng)客平臺構(gòu)建起充滿活力的創(chuàng)客空間，以激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其創(chuàng)造能力以及協(xié)同合作能力。第二，學生通過自己設(shè)計模型，個性化的模型打印教學環(huán)節(jié)，使學生“在做中學”，其學習知識內(nèi)化，既提高了學習效率，也符合“以學生為中心”的先進教學理念。第三，基于STEM的創(chuàng)新能力培養(yǎng)[6]。STEM是Science（科學）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）四門學科的有機整合與多學科交融領(lǐng)域，STEM教育強調(diào)學生在紛雜的學習情境中獲得設(shè)計、合作、復雜問題解決能力。毫無疑問，3D打印技術(shù)具備科學、技術(shù)、工程、數(shù)學特別是數(shù)學建模等特征，將成為STEM實踐教育的有力工具。第四，高等教育教學已經(jīng)從傳統(tǒng)的框架式知識記憶模式發(fā)展為 “基于問題為導向的教學模式（Problem-Based Learning，PBL）”，基于3D打印技術(shù)的PBL教學模式，極大地提高了教學效果及學生的動手能力。

5 結(jié)束語

3D打印具有數(shù)字化、智能化的時代特征，不僅為傳統(tǒng)專業(yè)帶來活力，而且因為自身知識的綜合性、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)用于高等教育教學之外，還帶來教學方式、教學內(nèi)容、教學模式等方面的創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]王從軍，劉潔，張李超，等.薄材疊層增材制造技術(shù)[M].武漢：華中科技大學出版社，2012.

[2]楊青山，戴慶偉，喻祖建，等.3D打印技術(shù)在材控專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用[J].中國冶金教育，2017（1）：76-77.

[3]俞彥勤，劉輝，鄒佳鵬.模具CAD/CAE/CAM一體化教學實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019（3）：210-213.

[4]邱海飛.3D打印專業(yè)教育人才培養(yǎng)體系研究[J].現(xiàn)代制造工程，2018（5）：62-67.

[5]桂亮，金悅，趙衛(wèi)軍，等.3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2016（10）：181-184.

[6]吳永和，李若晨，王浩楠，等.基于STEM的大學生跨學科實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2018（5）：77-85.