3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用范文

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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

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)。

13D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(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））。

23D打印技術(shù)種類

[1]（1）光固化立體成形SLA（StereoLithographyAppara－tus）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(shí)體制造LOM（LaminatedObjectManufacturing）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(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（SelectiveLaserSintering）是使用激光束對粉狀材料進(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（ThreeDimensionPrinting），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(qiáng)度高。（5）熔融沉積制造FDM（FusedDepositionModeling），也稱為熔絲制造FFF（FusedFilamentFabrication）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)動噴頭及工作臺沿X-Y平面方向做合成運(yùn)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(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。

33D打印技術(shù)特點(diǎn)

第一，無需傳統(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”，從理論上來說，無論多么復(fù)雜的模型，只要能通過計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)出來，3D打印就能夠打印出來。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、知識密集的特點(diǎn)。

43D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(fèi)，無需木模芯，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(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(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)字測量技術(shù)等核心課程，來進(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)可以對所設(shè)計(jì)的建筑作品實(shí)現(xiàn)微縮打印，并對打印出的作品進(jìn)行美學(xué)等評估；考古專業(yè)可以對古董或工藝品進(jìn)行復(fù)原或修復(fù)，或者是對原物進(jìn)行三維掃描，為其建立并保存三維數(shù)字模型。動漫設(shè)計(jì)專業(yè)可以將構(gòu)思設(shè)計(jì)的動漫角色人物打印出來，實(shí)現(xiàn)角色的現(xiàn)實(shí)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(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(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，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。化學(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3D打印得出所設(shè)計(jì)的汽車或航空航天器的外觀，對其進(jìn)行美學(xué)評估、動力學(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]（MakerEducation）即基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)，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(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)）、Tech－nology（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)雜問題解決能力。毫無疑問，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)的框架式知識記憶模式發(fā)展為“基于問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式（Problem-BasedLearn－ing，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)生的動手能力。

5結(jié)束語

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)帶來活力，而且因?yàn)樽陨碇R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，還帶來教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)出版社，2012．

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[3]俞彥勤，劉輝，鄒佳鵬.模具CAD/CAE/CAM一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（3）：210-213.

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

作者：俞彥勤 單位：華中科技大學(xué)