3D打印及其教育应用

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　　摘 要：3D打印是基于离散、堆积原理的一种崭新的加工方式，是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物。目前，一些教育机构和组织已经开始重视其在教育领域的应用，并尝试将其应用于课程教学及综合教育（如STEM）中。本文介绍了3D打印的原理及其发展现状，总结了3D打印在教育领域的应用，探讨了3D打印在高职教育中的应用模式。
　　关键词：3D打印；快速成型；增材制造；高职教育；教育技术
　　中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0165-03
　　3D Printing and Its Educational Application
　　ZHANG Wenping，ZHOU Qian，LI Xulin
　　（Shandong Labor Vocational and Technical College，Jinan 250022，China）
　　Abstract：3D printing is a new processing method based on discrete and stacking principle，and is the product of the development of information technology，new material technology and manufacturing technology. At present，some educational institutions and organizations have begun to attach importance to its application in the field of education，and try to apply it to curriculum teaching and comprehensive education （such as STEM）. This paper introduces the principle and development status of 3D printing，summarizes the application of 3D printing in the field of education，and probes into the application mode of 3D printing in higher vocational education.
　　Keywords：3D printing；rapid prototyping；additional material manufacturing；higher vocational education；educational technology
　　0 引 言
　　3D打印是人類通过对物质（材料单元）进行可控的动态累积以逼近目标形体的一种生产过程，是直接从三维CAD数据模型通过组装堆积（现阶段主要是分层堆积）来制造任意复杂形状零件的技术，是一种区别于传统减材制造和等材制造的先进制造技术，其不需要刀具夹具或模具就可以生产出满足使用功能要求的任意形状的零件。3D打印又称增材制造，是世界制造技术领域的一次重大突破。3D打印技术涵盖了众多工艺，目前发展较为成熟的已有十余种工艺方法。其中发展历史较长且应用较广的主要有粉末材料选择性激光烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三维立体印刷（3DP）。自2012年以来，受到3D打印新材料、软件、新工艺及互联网进步的推动，3D打印技术高速发展[1]。如今，它已经从实验室和工厂逐渐走出来，走进学校和家庭。
　　1 3D打印的制作流程及其特点
　　虽然可以用于3D打印的材料种类繁多，工艺方法各不相同，但其基本流程大体一致，主要分为三维产品数据的获取、模型分层、层截面的制造与累加、模型后处理四个阶段。以图1所示模型为例来详细介绍其制作流程，所用设备为陕西恒通智能机器有限公司生产的激光快速成型机SPS350B，数据处理软件为RP Data 10.5。
　　1.1 模型数据的获取
　　通过三维设计软件（UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks等）完成零件的三维建模；或者通过三维扫描设备获得现有产品的点云数据，应用逆向造型软件（Geomagic、Imageware等）进行处理，获得三维CAD模型。然后将数据模型输出为STL格式的CAD文件。
　　1.2 添加支撑并切片分层
　　将STL文件导入数据处理软件RP Data 10.5，在模型不是特别复杂的情况下，可以自动添加支撑，然后自动分层，而不用手动修改，最后输出SLC的模型制作文件。
　　1.3 层截面的制造与累加
　　打开激光快速成型机SPS350B的RPBuild控制程序，加载SLC成型数据文件，导入默认的工艺参数，激光逐层扫描光敏树脂，完成模型的制作。该模型实例加支撑总高度为119.4mm，总层数为1195，其中基础层数60，填充扫描速度为7000mm/s，轮廓扫描速度为6000mm/s，完成制作实际耗时7小时15分钟。
　　1.4 模型后处理
　　用酒精清洗模型，去掉模型制作时的辅助支撑，并对其进行吹干、固化处理，完成所需要模型的制作。如果用传统的去除材料的方式加工，工艺路线复杂，加工难度大，而应用3D打印完成起来却非常容易。在不考虑工艺参数调整、UV光束功率检测及光路调整、树脂零位检测等操作的情况下，非专业人员只要简单培训即可掌握工艺流程，学会操作3D打印机。而且，民用桌面型3D打印机要比上述工业型3D打印机的操作更简单。3D打印机的这种易用和操作简单的特点，使得产品制造、材料加工走出了工科领域和机械制造行业，广大没有机械加工相关知识背景的人员，也能够简便操作3D打印设备，把自己需要的产品从虚拟变成现实。 　　2 3D打印的教育应用现状
　　2.1 3D打印在传统课程教学中的应用
　　据相关文献报道[2]，英国教育部以21个学校作为试点，在工程和设计、计算机科学、物理和数学等课程中应用3D打印技术，探索其在教学中的应用，推动教育教学创新。在FullSail大学，同学们首先通过三维软件设计人偶，然后3D打印出塑料模型来制作3D漫画人物。玛丽·华盛顿大学的设计入门课程中将3D打印机作为辅助手段，学生自己设计或扫描实物，3D打印实物模型，然后进行试验并改进。在弗吉尼亚大学，学生们3D打印出一架模型飞机并试飞成功，该模型的零部件都是3D打印制造的。国内许多高校也都在工业设计和机械设计等专业中应用3D打印技术，可以把同学们的设计作品转化成产品。
　　2.2 3D打印在教育中的创新应用
　　传统的学科体系下，各学科知识量非常大，同时又不断涌现新知识，导致学生负担重，所学学科数量多。通过实践性学习方式，将相关知识进行综合，可以减少所学学科科目的数量[3]。综合教育强调将各学科知识进行有效的组织和综合。在美国、韩国等国家，综合教育获得了很多政策支持，推进了很多以综合教育为内容的研究项目。
　　3D打印也被应用于综合教育技术中，比如与技术教育相关的综合教育理论STS、MST、STEM及STEAM等几种教育模型[4]。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的简写，STEM教育过程不是将原有的四门学科知识进行简单叠加，而是需要把分散学科内容自然组合从而形成有机整体。STARBASE Minnesota是一个对学生提供STEM训练的教育项目。如在一门航空训练课程中，学生们先学习火箭机翼设计的理论知识，然后通过设计软件自行设计火箭的机翼，通过3D打印技术制造出模型后，装配测试所设计的机翼对火箭飞行的影响，然后进行进一步的分析研究。通过该项目的实践，发现运用3D打印技术后，提高了学生的学习积极性[2]。
　　随着3D打印在高等教育领域备受青睐，一些教育实验设计了很多应用3D打印技术的新课程，涉及设计、电子和计算机等多学科内容的整合。国内外很多高校建立了专用实验室并积极探究如何创造性地使用该技术，例如麻省理工学院微观装配实验室（The Fab Lab）配备了激光切割机、3D打印机、电路板以及更多设备，这个实验室被定位为学习和制造基于数字技术装置的场所。
　　3 3D打印在高职教育中的应用模式探讨
　　3.1 应用于相关课程教学，促进学生立体化获取和理解知识
　　3D打印把抽象的设计转变为真实的立体模型，有利于激发学生的学习兴趣。3D打印从设计、制作、展示等方面融入到学习过程中，为学习开辟了新的空间，能够较好的体现“经验之塔”中做的经验、观察的经验和抽象的经验三种层次的经验的融合，从而提升学习效果。
　　在机械、模具、工业设计等相关专业的三维设计课程的教学中，可引入3D打印作为有效的教学和评估辅助手段。近些年，高职计算机辅助设计课程已经广泛采用了项目教学，任课教师领着学生一步一步完成课程中设计实例的操作。相比较传统的操作命令的教授方式，学生学习的积极性和教学效果都有了很大的提高。但整个学习过程依然很抽象，对于高职学生，即在主流教育中表现不好的学生而言，这种学习方法还是大家所不擅长的，且其对学生的职业素养、设计能力的培养不够。而把3D打印作为教学手段应用于教学实践，却可以从根本上改变整个学习过程。根据本人在UG、模具设计与制造等课程的项目教学的实际经验，对基于3D打印的教学模式做如下构想：采用分组教学，教师讲解完项目实例的设计后，同学们按照设计要求，运用丰富的课程资源，进行小组讨论和自主学习，然后完成设计，借助3D打印得到模型实物，根据模型实物评价设计效果，如需要，可以改進设计重新打印，直到得到符合设计要求的满意作品。
　　3D打印技术也可以引入高职机电类专业基础课程教学中，如工程力学、机械零件、机械设计等。将3D打印应用于这些课程的教学中，可以将抽象的概念具体化，从而提高教学质量。如：罗彻斯特理工学院的教师在静力学课程中，让学生们设计桥梁并计算桥梁受力，所设计的桥梁按比例3D打印后进行试验检验受力效果。
　　3.2 开设跨学科、交叉型“边做边学”的项目教学课程，培养学生的创新能力
　　新的人才需求形势下，需要不断探索新的教学模式[4]。推动STEM等综合教育项目，是3D打印技术应用于课程教学开发、改革的重要任务之一。
　　设计软件和3D打印都不是此类课程计划的焦点，而是利用技术通过应用抽象概念解决有趣的问题，进而帮助学生了解并掌握抽象概念。现在，设计软件和3D打印机正在降价，教师和学生能够直接体验设计和工程加工。将来，我们可以创立更多的类似于“边做边学”的综合教育课程。
　　类似于Fab@school项目或STEM课程，设想可以在机电类专业开设跨学科综合教育课程“3D打印机的设计制作”，实现3D打印机的自我复制与升级。首先由教师和学生根据使用要求进行总体的构思设计，然后以学生为主导完成外观、机床本体、控制系统、运动系统、检测装置、输入输出系统的设计，采用开源3D打印数控系统，完成3D打印机组装和调试。通过该课程的项目教学，学生既综合地学习掌握了电气控制与PLC、伺服原理、检测元件及电路、机械原理等相关知识，且通过“边做边学”培养了学生团队合作精神、创新能力及积极解决问题的能力。
　　3.3 掌握3D打印新技术，提供一条创业就业的新途径
　　在我国，相关主管部门对3D打印产业进行了规划和支持。科技部于2013年首次将3D打印编入《国家高技术研究发展计划（863计划）》。工信部2015年发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》。2016年《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》提出要加快3D生物打印。2017年科技部下发了《科技部关于印发“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划的通知》，工信部等12部门联合印发了《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》。目前，各级地方政府成立了20多个3D打印产业基地和产业联盟。全球3D打印产业产值从2012年的22亿美元增长到2017年的78亿美元。麦肯锡预测，到2025年，3D打印潜在的经济影响将达到2300-5500亿美元。
　　随着3D打印产业的高速发展，未来需要大量3D打印技术人才，包括设计、建模、3D打印机操作及维修等，这必将提供大量的就业和创业机会。所以广大高校有必要抓住机遇，新增3D打印技术新专业，或者在数控、模具等专业中设立3D打印技术方向，以满足3D打印技术爆发式发展所带来的巨大人才需求，为我国制造业的转型升级提供人才支撑。
　　4 结 语
　　计算机最初的应用仅仅是局限于那些被认为与“计算机相关”的课堂，例如编程课，或者可能是数学课。但这种情况已经发生了变化，今天每个教室都在使用计算机，每个课堂（从历史课到艺术课）都在使用计算机。更为重要的是，计算机已经打开了教授和学习科学的全新方法的大门，并且这种改变结束的可能性遥遥无期[1]。
　　3D打印有可能延续相同的道路。目前，3D打印仅为高校相关课堂所采用，例如工业设计类、机械类等专业的设计、实训等课堂。可以预见，随着3D打印技术的更加智能化、通用化，在将来，3D打印会被更多的课堂所采用。3D打印将打开教授和学习科学的全新方法的大门，且其实际应用前景已非常明朗。
　　参考文献：
　　[1] [美]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D打印：从想象到现实 [M].北京：中信出版社，2013.
　　[2] 王萍.3D打印及其教育应用初探 [J].中国远程教育，2013（8）：83-87.
　　[3] 李昭伊，刘君，卢泰天.韩国技术教育发展的最新动向——以STEAM模型为中心的技术教育课程设计 [J].教育研究与评论：技术教育，2011（5）：13-19.
　　[4] 姜大源.论高等职业教育课程的系统化设计——关于工作过程系统化课程开发的解读 [J].中国高教研究，2009（4）：66-70.
　　作者简介：张文平（1982-），男，汉族，山东济南人，副教授，主要研究方向：先进制造技术。
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