3D打印技術(shù)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用研究

祁晨宇

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)化與信息化的融合走向了更深的層次，3D打印技術(shù)已經(jīng)走出實驗室走向了各行各業(yè)，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、建筑、航空航天、汽車制造等專業(yè)都有應(yīng)用。在歷年的“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽等各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中3D打印技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。3D打印技術(shù)能夠更快速直觀的表達(dá)學(xué)生的設(shè)計思想，展現(xiàn)自己的作品，3D打印技術(shù)在高職院校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動力，和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

3D打印技術(shù)是信息技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以增材制造方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造方式，將二維平面信息進(jìn)行疊加生產(chǎn)三維零件。傳統(tǒng)制造方式下零件復(fù)雜程度會受到限制，而3D打印技術(shù)不受零件復(fù)雜程度的限制大大的激發(fā)了人的想象力和創(chuàng)造力。

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是一種最快捷的將人腦中的想法轉(zhuǎn)化為實物產(chǎn)品的方法。①首先創(chuàng)作者要在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的結(jié)構(gòu);②應(yīng)用三維建模技術(shù)將大腦中構(gòu)思的產(chǎn)品在三維建模軟件中表達(dá)出來;③將三維模型導(dǎo)入切片軟件中進(jìn)行切片，形成三維模型的多層二維數(shù)據(jù)并生成打印路徑;④將打印路徑文件與3D打印機(jī)進(jìn)行連接，3D打印機(jī)執(zhí)行打印文件完成產(chǎn)品的打印。

目前主要的3D打印技術(shù)包括FDM熔融沉積技術(shù)、SLA激光光固化技術(shù)、SLS激光粉末燒結(jié)技術(shù)、SLM激光選區(qū)熔化技術(shù)。

FDM熔融沉積技術(shù)又稱熔絲沉積技術(shù)，它將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱熔化，通過帶有微細(xì)碰嘴的擠出機(jī)把材料擠出，噴頭可沿X軸和Y軸方向移動，打印平臺可沿Z軸方向移動，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層粘合在一起，一層材料沉積后打印平臺下降一個厚度，然后重復(fù)以上步驟直到產(chǎn)品完全成型。

SLA激光光固化技術(shù)，在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在特點波長激光束的照射下會快速固化，工作臺處于液面下一個截面層厚的高度，激光束在計算機(jī)的控制下按照截面輪廓，沿液面進(jìn)行掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂固化。然后，工作臺上升一層薄片的高度，已固化的樹脂薄片就會與新一層的固化樹脂粘合，如此重復(fù)不已，直到整個產(chǎn)品成型完畢。

SLS激光粉末燒結(jié)技術(shù)，鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，計算機(jī)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)。當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個模型。

SLM激光選區(qū)熔化技術(shù)（與SLS技術(shù)類似），是利用高能量激光束將設(shè)計好的二維截面上的金屬合金粉末熔化， 由下而上逐層打印實體零件的一種金屬增材制造技術(shù)，具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、致密度高和材料浪費少的優(yōu)勢。

2 3D打印技術(shù)在高職院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為一種新的智能化制造技術(shù)，它利用計算機(jī)三維制作軟件對所需要的物品進(jìn)行虛擬三維建模，通過3D打印設(shè)備將電腦軟件呈現(xiàn)的三維立體作品打印出來，以實體方式進(jìn)行呈現(xiàn)。在教育行業(yè)中3D打印技術(shù)也逐漸與高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相融合，并且已經(jīng)成為高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育開展應(yīng)用的主要技術(shù)之一。

2.1 3D打印課程

可以將3D打印課程與三維建模課程相結(jié)合，可有效地提高教學(xué)質(zhì)量，3D打印技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)就是三維模型的制作，它需要我們利用三維建模軟件如3DMAX、SolidWorks、Creo、NX等軟件制作出三維模型，或者是使用三維掃描儀把實物掃描到電腦中。然后導(dǎo)出3D打印機(jī)支持的數(shù)據(jù)格式如STL、BOJ、3DS等，然后進(jìn)行切片和打印。

三維模型的創(chuàng)建是關(guān)鍵技術(shù)，一般院校的工科專業(yè)如工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、建筑等都開設(shè)三維建模課程。建模學(xué)習(xí)過程是很繁復(fù)的，也是非?？菰锓ξ兜?，如果學(xué)生沒有很好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、空間想象能力，就會影響課堂教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，引入3D打印技術(shù)，鼓勵學(xué)生把自己制作的三維模型作品用3D打印機(jī)打印出來，學(xué)生看到自己設(shè)計的作品以實物形式出現(xiàn)時就會有一種較強(qiáng)的成就感，對課程的興趣明顯增大，3D打印的實物不僅能夠直觀地反映出模型創(chuàng)建的質(zhì)量，而且很容易發(fā)現(xiàn)模型創(chuàng)建存在中的問題，有利于對模型的修改與完善。

2.2 創(chuàng)客空間

創(chuàng)客源于美國麻省理工學(xué)院的實驗課題，該課題以創(chuàng)新為理念，以用戶為中心，以個人設(shè)計和制造為核心內(nèi)容，參與項目的學(xué)生即為“創(chuàng)客”。創(chuàng)客空間是支持創(chuàng)客完成個人產(chǎn)品DIY制作的開放性工作空間。。

高職院校通過創(chuàng)辦創(chuàng)客空間并向全校師生提供3D打印服務(wù)來激發(fā)學(xué)生參與創(chuàng)新的積極性，集中為學(xué)生提供3D打印技術(shù)相關(guān)的知識體系培訓(xùn)和體驗式服務(wù)。創(chuàng)客空間為不同學(xué)科背景的學(xué)生進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新提供了有利條件，并通過3D打印機(jī)等設(shè)備最終將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品原型。目前國內(nèi)很多高校已經(jīng)開發(fā)了自己的創(chuàng)客空間，現(xiàn)階段以提供3D打印體驗式服務(wù)居多。鼓勵學(xué)生積極參與創(chuàng)客空間組織的各項活動，實現(xiàn)人人創(chuàng)造、人人快樂、人人成長。

2.3 創(chuàng)新實驗室

為了更好的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動力，開拓學(xué)生的視野，為打破學(xué)科界線，更好地實現(xiàn)知識融合和知識創(chuàng)新，高職院?？梢猿闪⒍鄬W(xué)科融合的創(chuàng)新實驗室，以3D打印技術(shù)等數(shù)字工具為資源將不同專業(yè)的學(xué)生聯(lián)系在一起，為學(xué)生提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)目標(biāo)。

以創(chuàng)新實驗室為教學(xué)環(huán)境，通過開展集設(shè)計和3D打印于一體的創(chuàng)新課程，讓學(xué)生解決日常生活中的實際問題。學(xué)生在應(yīng)用3D打印技術(shù)解決問題的過程中，不僅將物理原理等抽象概念實體化，同時還學(xué)習(xí)掌握了工程設(shè)計知識。學(xué)生通過創(chuàng)新設(shè)計、數(shù)字建模3D 打印驗證，使理論與實踐相結(jié)合，為抽象的概念學(xué)習(xí)提供了新的學(xué)習(xí)途徑。創(chuàng)新實驗室以教師組織相應(yīng)課程、布置相關(guān)任務(wù)為處出發(fā)點，學(xué)生進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)、將要解決的實際問題當(dāng)作學(xué)習(xí)的出發(fā)點和落腳點大大的提高了學(xué)習(xí)效率。

2.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽

目前針對大學(xué)生的各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽大大的激發(fā)和帶動了大學(xué)生積極的參與到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中。以“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽、全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽等各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為主，學(xué)生在參與大賽的過程積累了和知識和技能。在學(xué)生參賽過程中往往需要快速直觀的表達(dá)設(shè)計思想，3D打印技術(shù)能夠很好的滿足學(xué)生這方面的需求，因此最近今年來3D打印技術(shù)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的結(jié)合越來越緊密。大賽促進(jìn)了3D打印技術(shù)能夠快速的走到各專業(yè)的學(xué)生中，同時3D打印技術(shù)也使得大賽的作品能夠在短短幾年內(nèi)質(zhì)量得到大幅度的提升。因此利用各級各類大賽的平臺在大學(xué)生當(dāng)中大力的推廣3D打印技術(shù)將是最近幾年的一個發(fā)展趨勢，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的一個很好的途徑。

3 3D打印技術(shù)在高職院校學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的優(yōu)勢

3.1 為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維創(chuàng)設(shè)良好的條件

創(chuàng)新意識是大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重點、創(chuàng)新思維是大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的核心。3D打印作為一種先進(jìn)的成形技術(shù)，能夠打印各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，它拓展了人的想象空間，促進(jìn)了思維能力的進(jìn)一步發(fā)展。將3D打印引入實踐教學(xué)，能夠為學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練創(chuàng)設(shè)良好教學(xué)的情景。通過大膽設(shè)計，建立三維模型，3D打印機(jī)就能將三維模型打印為可觸摸可展示的實體，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新勇氣和創(chuàng)新思維。

3.2 激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動機(jī)

創(chuàng)新動機(jī)是推動人們從事創(chuàng)新活動的內(nèi)部動力，是創(chuàng)新行為的發(fā)端，3 D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計的模型呈現(xiàn)成立體直觀的實物，這種快速成型技術(shù)能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動機(jī)。例如：在工業(yè)設(shè)計課程造型設(shè)計教學(xué)中，通常教師是利用多媒體圖片、動畫和視頻等為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建一種信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，但這種教學(xué)缺乏對真實事物的探索實踐。3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)講授演示的教學(xué)方式，可視化的3D打印技術(shù)，將學(xué)生的設(shè)計模型打印成立體實物，營造更逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，給學(xué)生帶來強(qiáng)烈的現(xiàn)場感，能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

4 總結(jié)

根據(jù)2015-2018年“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽的項目分析可以看出歷年的作品中用3D打印技術(shù)來快速驗證作品功能的項目越來越多呈逐年增加的趨勢，3D打印技術(shù)作為一種新興制造技術(shù)在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)實踐能力方面具有重要的應(yīng)用前景和推廣價值。

（作者單位：包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院）