3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用
——以三維打印技術(shù)為例

1.引言

高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)中，與行業(yè)需求的貼近尤為重要，專業(yè)實踐教學(xué)的重要性愈加顯現(xiàn)。行業(yè)的新技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)課堂，沖擊并改變著原有的實踐教學(xué)模式。

2012年4月英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志發(fā)文稱：以三維打印技術(shù)為代表，以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命已經(jīng)到來，三維打印機(jī)將開創(chuàng)一個嶄新的工業(yè)時代。

2015年5月8日在國務(wù)院公布的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)《中國制造2025》中提出，堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”[1]。在文件中三維打印技術(shù)反復(fù)出現(xiàn)6次，貫穿于背景介紹、國家制造業(yè)創(chuàng)新能力提升、信息化與工業(yè)化深度融合、重點領(lǐng)域突破發(fā)展等重要段落，并融入于推動智能制造的主線，成為該戰(zhàn)略計劃中的重要一環(huán)[2]。同時，文件中特別提到最重要的是人才需求，強(qiáng)調(diào)要健全完善中國制造從研發(fā)、轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)到管理的人才培養(yǎng)體系。重點培養(yǎng)：高層次專業(yè)技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才、優(yōu)秀企業(yè)家和高水平經(jīng)營管理人才、既懂制造技術(shù)又懂信息技術(shù)的復(fù)合型人才“三類高端緊缺人才”。

我校產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)正著力于培養(yǎng)具備產(chǎn)品設(shè)計理論知識及產(chǎn)品造型能力，掌握產(chǎn)品設(shè)計程序與生產(chǎn)工藝過程，從事以產(chǎn)品創(chuàng)新為重點的設(shè)計、管理、科研工作的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。這些契機(jī)的交匯使得三維打印技術(shù)融入我們的實踐教學(xué)之中。

2.三維打印技術(shù)特征及優(yōu)點

三維打?。?D Printing）技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[3]，是當(dāng)前較為成熟的快速原型技術(shù)，主要依賴增材制造方式通過材料疊加堆積形成三維實體模型。技術(shù)原型為J. E. Blanther 1892年關(guān)于分層制造法構(gòu)成地形圖的美國專利[4]。后來Charles W. Hull 在1983年發(fā)明了世界上第一臺3D打印機(jī)并在1986年成立了3D Systems公司，開發(fā)了現(xiàn)在通用的STL文件格式；1988年，該公司推出了基于SL技術(shù)的3D工業(yè)打印機(jī)。此后世界上出現(xiàn)了SLA(光敏樹脂選擇性固化)、SLS(粉末材料選擇性激光燒結(jié))、FDM(熔融沉積)、3DP(3D噴射打印)、PUG(真空注型)等3D打印成型技術(shù)。

表1 SLA 、FDM、 DLP 三種設(shè)備對比

表2 三維打印在各學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)制造方式相比，三維打印技術(shù)帶來的是生產(chǎn)加工理念的革命性變革。其主要技術(shù)特征表現(xiàn)為：制造設(shè)備無模具，快速自由成形；生產(chǎn)過程全數(shù)字化，高柔性；能夠制造近乎無限復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)；當(dāng)前技術(shù)可應(yīng)用于多種類材料的制造；可以實現(xiàn)多材料任意復(fù)合制造（例如：功能梯度結(jié)構(gòu)）。這些特征使得三維打印技術(shù)在實際生產(chǎn)中具備如下優(yōu)勢：

首先三維打印技術(shù)可以縮短加工制造周期，而且能大幅降低生產(chǎn)成本，特別是突破了傳統(tǒng)加工制造方法對復(fù)雜形狀加工的限制，使人類在加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自由。

其次三維打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、首飾制造等特殊領(lǐng)域廣泛運用。譬如：在醫(yī)療領(lǐng)域，上海交大附屬第九人民醫(yī)院借助三維打印技術(shù)制造了一個人工盆骨，并且成功地移植到了患者體內(nèi)使其康復(fù)。

再者三維打印技術(shù)成品的可塑性非常強(qiáng)，從二維到三維均可實施，加工過程逐層打印，打印機(jī)的加工精度可以精確到每層0.01毫米。

最后三維打印技術(shù)在個性化定制方面具備極大優(yōu)勢。傳統(tǒng)的工業(yè)制造是依賴產(chǎn)品批量降低產(chǎn)品成本，難以實現(xiàn)個性化生產(chǎn)，但三維打印技術(shù)讓低成本個性化定制成為可能。

3.主流三維打印設(shè)備比較

近年來基于“SLA、SLS、SLM、FDM、DLP、MJM……”等不同技術(shù)的三維打印機(jī)日趨成熟，打印尺寸大、精度高、材料兼容廣泛的工業(yè)級設(shè)備和打印尺寸較小、精度尚可、打印材料單一的桌面型設(shè)備都層出不窮。但在教學(xué)活動中由于受到設(shè)備與耗材成本的限制，用戶廣為接受、大量應(yīng)用的是桌面型打印設(shè)備。此類打印機(jī)多基于熔融沉積成型技術(shù)（FDM）和光敏樹脂選擇性固化技術(shù)。其中光敏樹脂選擇性固化技術(shù)又分兩類：立體光固化成型技術(shù)（SLA）和數(shù)字光投影成型技術(shù)（DLP）。在此我們就來比較一下基于FDM、SLA、DLP這三類技術(shù)的桌面型三維打印機(jī)，如表1所示。

FDM 三維打印機(jī)，在架構(gòu)上靈活多樣，成形尺寸可以做得很小，也可以做得很大。設(shè)備與耗材價格便宜，普及度高。但是大成型尺寸時穩(wěn)定性不好，打印速度慢。成型主要通過擠出頭擠出耗材，臺階效應(yīng)明顯。加工精度與流暢度都受噴頭直徑影響，且相互制約。

而SLA和DLP由于是光照成形，所以精度要高得多。DLP出來的光是扇形光，是散射的，SLA是激光，近似一條直線，所以在精度上會優(yōu)于DLP。

因此，以玉米芯殘渣為原料，利用PFI打漿預(yù)處理提高其酶水解效率，是一種“變廢為寶”的綠色工藝，符合可持續(xù)發(fā)展的理念；同時，進(jìn)一步研究底物特性對其酶水解效率的影響，有利于更深入地理解非木材纖維原料的酶水解機(jī)理，完善纖維原料的酶水解理論體系，對提高酶水解效率和提高原料利用率等方面有重要意義。

SLA三維打印機(jī)也是通過光軸移動來打印的，理論上可以做很大的尺寸，但目前的技術(shù)還無法做出大型SLA 三維打印機(jī)。成型主要通過激光點固化材料，加工精度高。

DLP三維打印機(jī)用的是投影儀的數(shù)字光源，區(qū)別于SLA三維打印機(jī)用的激光，通過散射的扇形光固化材料，如果做大的話，很難保證精度。

圖1 在教學(xué)中引入快速原型環(huán)節(jié)前后的設(shè)計實踐過程

圖2 用于三維打印的數(shù)字化模型

圖3 用于方案優(yōu)選的快速原型

總的來說，成形尺寸：FDM 〉 SLA ≈ DLP；成形精度：SLA 〉 DLP 〉 FDM；機(jī)器價格：SLA 〉DLP 〉 FDM；耗材價格。SLA ≈ DLP 〉 FDM。

近兩年就各類增材制造展會上所推介的設(shè)備及應(yīng)用情況來看，熔融沉積成型技術(shù)（FDM）的相關(guān)設(shè)備切實實現(xiàn)了能用、好用、價優(yōu)的期待目標(biāo)。精度足以滿足產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)快速原型的應(yīng)用需求，在打印時間與穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)也相當(dāng)不錯。對于小批量、非耐久性使用的設(shè)計樣品定制也綽綽有余。相較其他類型的產(chǎn)品，F(xiàn)DM 三維打印機(jī)設(shè)備價格大大降低，耗材穩(wěn)定性較好，不存在技術(shù)障礙，加工產(chǎn)品后期及表面處理工藝趨于成熟，必要時可以通過多臺設(shè)備同時打印縮短加工時間。目前無論對于從事三維打印服務(wù)、輔助教育教學(xué)等需求領(lǐng)域來說，F(xiàn)DM 三維打印機(jī)是最簡單、直接的方式，在技術(shù)和設(shè)備上有著較完善的支持方案。

4.在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

三維打印技術(shù)的特征與優(yōu)點使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的快速開發(fā)、個性化制造等領(lǐng)域，我們借助該技術(shù)以實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)難以應(yīng)對的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)；利用三維打印技術(shù)制作設(shè)計方案模型與樣品，以優(yōu)化設(shè)計、提升產(chǎn)品功能。同時三維打印技術(shù)也為教育行業(yè)提供了全新教學(xué)方式，作為一種通用的技術(shù)"它可以應(yīng)用到大部分的學(xué)科中去"，涵蓋正式學(xué)習(xí)、非正式學(xué)習(xí)和培訓(xùn)等類型的教育"，尤其適用于設(shè)計、工程相關(guān)領(lǐng)域或是需要快速制作模型的領(lǐng)域[5]，如表2所示。各學(xué)科教育中既可以享受到三維打印技術(shù)輔助教學(xué)的便利，同時還能激發(fā)并推動學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，并且對三維打印技術(shù)的掌握會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[6]。

5.三維打印與產(chǎn)品設(shè)計實踐教學(xué)

產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)過程中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要是教師提出實踐項目并帶領(lǐng)學(xué)生圍繞項目展開設(shè)計實踐訓(xùn)練，而三維打印技術(shù)使得設(shè)計實踐中設(shè)計方案的快速原型得以普及。在三維打印機(jī)引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)之前，產(chǎn)品設(shè)計快速原型主要依賴CNC設(shè)備，而此類設(shè)備雖能實現(xiàn)設(shè)計樣品生產(chǎn)加工，但設(shè)備價格昂貴，耗材成本較高，設(shè)計方案從CAD到CAM轉(zhuǎn)化過程中需要高素質(zhì)專業(yè)人員解決相關(guān)技術(shù)問題，并且加工過程中控制設(shè)備的操作人員也需要經(jīng)過專門的訓(xùn)練以應(yīng)對復(fù)雜的技術(shù)參數(shù)。因而在早期各高校的產(chǎn)品設(shè)計教學(xué)實踐中，雖有很多高校投入資金完成相關(guān)配套，但最終只有少數(shù)有足夠商業(yè)項目支持且與生產(chǎn)企業(yè)對接較好的學(xué)校能夠完成整個教學(xué)實踐過程。同時由于產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)限制，這些復(fù)雜的實踐過程使得他們知難而退，加之成本昂貴，最終快速原型實踐變成了見習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生們實踐教學(xué)的設(shè)計方案更多地停留在設(shè)計圖面上。

1992年左右開始從事三維打印技術(shù)研究的清華大學(xué)激光快速成型中心是國內(nèi)最早進(jìn)入該領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)，隨后相關(guān)研究在國內(nèi)各領(lǐng)域逐漸展開。我校在2010年采購相關(guān)設(shè)備，開始探索相關(guān)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)教學(xué)實踐中的應(yīng)用。當(dāng)前在相對成熟、低廉的FDM技術(shù)的支持下相關(guān)實踐得以推廣。

圖4 用于研究構(gòu)件組合的快速原型

首先，增加了快速原型實踐環(huán)節(jié)。由于FDM技術(shù)的一系列優(yōu)勢，使得在有限的教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生能夠完成簡單的設(shè)計原型。這些設(shè)計原型注重整體形態(tài)與基本結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行表面處理，主要用來研究結(jié)構(gòu)、優(yōu)選方案、修正設(shè)計，在實踐項目完成時輔助設(shè)計方案評價。師生在設(shè)計實踐與指導(dǎo)過程中完全采用數(shù)字化設(shè)計，只需在CAD環(huán)節(jié)考慮好快速原型的數(shù)模需求即可，如圖2所示。

其次，設(shè)計方案更關(guān)注產(chǎn)品形態(tài)的創(chuàng)新性。由于三維打印對于復(fù)雜造型的輕松實現(xiàn)，使得設(shè)計實踐中大大降低了對于繪制工程圖紙、產(chǎn)品造型的易加工性等環(huán)節(jié)的精力投入。依賴三維打印技術(shù)，設(shè)計者可以將有爭議的形態(tài)或節(jié)點以實物方式呈現(xiàn)，全面感受、比對設(shè)計方案，完成在圖面上難以完成的設(shè)計方案優(yōu)選，如圖3所示。

再者，通過快速原型實踐有利于學(xué)生培養(yǎng)良好的工程習(xí)慣。雖然快速原型相對傳統(tǒng)加工受到的工程限制較少，但設(shè)計從紙面轉(zhuǎn)化為實物的過程中還是要考慮很多工程問題的。譬如：設(shè)計方案具體尺度，設(shè)計構(gòu)件的人機(jī)關(guān)系，不同部件間的配合方法，簡單機(jī)構(gòu)的運轉(zhuǎn)方式等等，如圖4所示。學(xué)生們以往只是注重效果圖的視覺比例關(guān)系，而引入快速原型后他們從設(shè)計之初就會考慮產(chǎn)品的尺度，按照真實尺寸構(gòu)建設(shè)計方案，研究產(chǎn)品節(jié)點與細(xì)部架構(gòu)，設(shè)計方案不再停留在外觀表皮[7]。

圖5 用于設(shè)計評價的公交站快速原型

最后，快速原型提升了設(shè)計評價準(zhǔn)確度，促進(jìn)了設(shè)計指導(dǎo)。由于快速原型的幫助，使得設(shè)計方案實物化，在設(shè)計評價時實物展示與設(shè)計圖面相互對照，效果圖結(jié)合快速原型表現(xiàn)出的節(jié)點與機(jī)構(gòu)狀態(tài)，全方位展示設(shè)計方案，使得設(shè)計表達(dá)更加準(zhǔn)確，如圖5所示。所制作快速原型實物易于儲存、展示、研究，方便了同學(xué)間的交流，對于后續(xù)類似設(shè)計實踐的指導(dǎo)具有極高的參考價值。

6.結(jié)語

三維打印技術(shù)有著傳統(tǒng)制造手段無法比擬的優(yōu)勢，隨著相關(guān)設(shè)備的飛速發(fā)展為產(chǎn)品設(shè)計教育帶來全新的機(jī)遇。學(xué)生們的設(shè)計實踐可以借此技術(shù)得以實物化，使設(shè)計者能真切地感受自己的創(chuàng)意，切身地體會與評價自己的設(shè)計。當(dāng)然，當(dāng)前的三維打印技術(shù)本身也存在較多的缺點與局限，因而在產(chǎn)品設(shè)計教育中應(yīng)用時我們必須明確其從屬地位，認(rèn)識到三維打印技術(shù)只是一種實現(xiàn)快速原型的技術(shù)途徑，是輔助設(shè)計師優(yōu)化設(shè)計，評價方案的手段。再者，要讓學(xué)生明確，三維打印為代表的增材制造只是一種加工方式，它的加工件受到材料、表面工藝以及精度的限制，還很難真正代替批量化產(chǎn)品，不能因它而忽略其他的加工方式。同時還要繼續(xù)關(guān)注各類材料與工程知識，完善知識體系。此外，三維打印技術(shù)帶來的產(chǎn)品設(shè)計實踐教學(xué)方式變革也提醒我們，要關(guān)注前沿技術(shù)，掌握時代脈搏。三維打印經(jīng)歷了喧囂，現(xiàn)在又歸于沉靜，作為一項新的技術(shù)，它有許多值得肯定的優(yōu)勢，迄今為止相關(guān)領(lǐng)域并沒有停止對其研究，但要想真正與傳統(tǒng)制造抗衡還有很長的路要走。有些資本以浮躁、炒作的心態(tài)對待它，盲目夸大推高，只能適得其反。

注釋:

[1]司建楠：《“中國制造2025”苗圩破題工業(yè)強(qiáng)國》，《中國工業(yè)報》，2015年3月9日，第A01版。

[2]任汪洋：《基于FDM成型工藝的桌面級3D打印機(jī)優(yōu)化設(shè)計》，碩士學(xué)位論文，合肥工業(yè)大學(xué)，2017年。

[3]張晶：《用3D打印手段培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計研究》，碩士學(xué)位論文，沈陽師范大學(xué)，2016年。

[4]黃衛(wèi)東等：《增材制造與創(chuàng)新設(shè)計》，《2014新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇》2014年第9期，第23-27頁。

[5]李青、王青：《3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)》，《遠(yuǎn)程教育雜志》2013年第4期，第29-35頁。

[6]熊金泉：《3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究》，《南昌師范學(xué)院學(xué)報》2017年第6期，第21-25頁。

[7]舒?zhèn)?、孫福良：《基于產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)工作室的“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺建設(shè)研究》，《佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報》2018年第10期，第385-386頁。