張文平 周倩 李緒林

摘 要：3D打印是基于離散、堆積原理的一種嶄新的加工方式，是信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發(fā)展的產(chǎn)物。目前，一些教育機構和組織已經(jīng)開始重視其在教育領域的應用，并嘗試將其應用于課程教學及綜合教育（如STEM）中。本文介紹了3D打印的原理及其發(fā)展現(xiàn)狀，總結了3D打印在教育領域的應用，探討了3D打印在高職教育中的應用模式。

關鍵詞：3D打??；快速成型；增材制造；高職教育；教育技術

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：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打印是人類通過對物質（材料單元）進行可控的動態(tài)累積以逼近目標形體的一種生產(chǎn)過程，是直接從三維CAD數(shù)據(jù)模型通過組裝堆積（現(xiàn)階段主要是分層堆積）來制造任意復雜形狀零件的技術，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)減材制造和等材制造的先進制造技術，其不需要刀具夾具或模具就可以生產(chǎn)出滿足使用功能要求的任意形狀的零件。3D打印又稱增材制造，是世界制造技術領域的一次重大突破。3D打印技術涵蓋了眾多工藝，目前發(fā)展較為成熟的已有十余種工藝方法。其中發(fā)展歷史較長且應用較廣的主要有粉末材料選擇性激光燒結（SLS）、激光選區(qū)熔化（SLM）、熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三維立體印刷（3DP）。自2012年以來，受到3D打印新材料、軟件、新工藝及互聯(lián)網(wǎng)進步的推動，3D打印技術高速發(fā)展[1]。如今，它已經(jīng)從實驗室和工廠逐漸走出來，走進學校和家庭。

1 3D打印的制作流程及其特點

雖然可以用于3D打印的材料種類繁多，工藝方法各不相同，但其基本流程大體一致，主要分為三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取、模型分層、層截面的制造與累加、模型后處理四個階段。以圖1所示模型為例來詳細介紹其制作流程，所用設備為陜西恒通智能機器有限公司生產(chǎn)的激光快速成型機SPS350B，數(shù)據(jù)處理軟件為RP Data 10.5。

1.1 模型數(shù)據(jù)的獲取

通過三維設計軟件（UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks等）完成零件的三維建模；或者通過三維掃描設備獲得現(xiàn)有產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，應用逆向造型軟件（Geomagic、Imageware等）進行處理，獲得三維CAD模型。然后將數(shù)據(jù)模型輸出為STL格式的CAD文件。

1.2 添加支撐并切片分層

將STL文件導入數(shù)據(jù)處理軟件RP Data 10.5，在模型不是特別復雜的情況下，可以自動添加支撐，然后自動分層，而不用手動修改，最后輸出SLC的模型制作文件。

1.3 層截面的制造與累加

打開激光快速成型機SPS350B的RPBuild控制程序，加載SLC成型數(shù)據(jù)文件，導入默認的工藝參數(shù)，激光逐層掃描光敏樹脂，完成模型的制作。該模型實例加支撐總高度為119.4mm，總層數(shù)為1195，其中基礎層數(shù)60，填充掃描速度為7000mm/s，輪廓掃描速度為6000mm/s，完成制作實際耗時7小時15分鐘。

1.4 模型后處理

用酒精清洗模型，去掉模型制作時的輔助支撐，并對其進行吹干、固化處理，完成所需要模型的制作。如果用傳統(tǒng)的去除材料的方式加工，工藝路線復雜，加工難度大，而應用3D打印完成起來卻非常容易。在不考慮工藝參數(shù)調整、UV光束功率檢測及光路調整、樹脂零位檢測等操作的情況下，非專業(yè)人員只要簡單培訓即可掌握工藝流程，學會操作3D打印機。而且，民用桌面型3D打印機要比上述工業(yè)型3D打印機的操作更簡單。3D打印機的這種易用和操作簡單的特點，使得產(chǎn)品制造、材料加工走出了工科領域和機械制造行業(yè)，廣大沒有機械加工相關知識背景的人員，也能夠簡便操作3D打印設備，把自己需要的產(chǎn)品從虛擬變成現(xiàn)實。

2 3D打印的教育應用現(xiàn)狀

2.1 3D打印在傳統(tǒng)課程教學中的應用

據(jù)相關文獻報道[2]，英國教育部以21個學校作為試點，在工程和設計、計算機科學、物理和數(shù)學等課程中應用3D打印技術，探索其在教學中的應用，推動教育教學創(chuàng)新。在FullSail大學，同學們首先通過三維軟件設計人偶，然后3D打印出塑料模型來制作3D漫畫人物?，旣悺とA盛頓大學的設計入門課程中將3D打印機作為輔助手段，學生自己設計或掃描實物，3D打印實物模型，然后進行試驗并改進。在弗吉尼亞大學，學生們3D打印出一架模型飛機并試飛成功，該模型的零部件都是3D打印制造的。國內許多高校也都在工業(yè)設計和機械設計等專業(yè)中應用3D打印技術，可以把同學們的設計作品轉化成產(chǎn)品。

2.2 3D打印在教育中的創(chuàng)新應用

傳統(tǒng)的學科體系下，各學科知識量非常大，同時又不斷涌現(xiàn)新知識，導致學生負擔重，所學學科數(shù)量多。通過實踐性學習方式，將相關知識進行綜合，可以減少所學學科科目的數(shù)量[3]。綜合教育強調將各學科知識進行有效的組織和綜合。在美國、韓國等國家，綜合教育獲得了很多政策支持，推進了很多以綜合教育為內容的研究項目。

3D打印也被應用于綜合教育技術中，比如與技術教育相關的綜合教育理論STS、MST、STEM及STEAM等幾種教育模型[4]。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的簡寫，STEM教育過程不是將原有的四門學科知識進行簡單疊加，而是需要把分散學科內容自然組合從而形成有機整體。STARBASE Minnesota是一個對學生提供STEM訓練的教育項目。如在一門航空訓練課程中，學生們先學習火箭機翼設計的理論知識，然后通過設計軟件自行設計火箭的機翼，通過3D打印技術制造出模型后，裝配測試所設計的機翼對火箭飛行的影響，然后進行進一步的分析研究。通過該項目的實踐，發(fā)現(xiàn)運用3D打印技術后，提高了學生的學習積極性[2]。

隨著3D打印在高等教育領域備受青睞，一些教育實驗設計了很多應用3D打印技術的新課程，涉及設計、電子和計算機等多學科內容的整合。國內外很多高校建立了專用實驗室并積極探究如何創(chuàng)造性地使用該技術，例如麻省理工學院微觀裝配實驗室（The Fab Lab）配備了激光切割機、3D打印機、電路板以及更多設備，這個實驗室被定位為學習和制造基于數(shù)字技術裝置的場所。

3 3D打印在高職教育中的應用模式探討

3.1 應用于相關課程教學，促進學生立體化獲取和理解知識

3D打印把抽象的設計轉變?yōu)檎鎸嵉牧Ⅲw模型，有利于激發(fā)學生的學習興趣。3D打印從設計、制作、展示等方面融入到學習過程中，為學習開辟了新的空間，能夠較好的體現(xiàn)“經(jīng)驗之塔”中做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗和抽象的經(jīng)驗三種層次的經(jīng)驗的融合，從而提升學習效果。

在機械、模具、工業(yè)設計等相關專業(yè)的三維設計課程的教學中，可引入3D打印作為有效的教學和評估輔助手段。近些年，高職計算機輔助設計課程已經(jīng)廣泛采用了項目教學，任課教師領著學生一步一步完成課程中設計實例的操作。相比較傳統(tǒng)的操作命令的教授方式，學生學習的積極性和教學效果都有了很大的提高。但整個學習過程依然很抽象，對于高職學生，即在主流教育中表現(xiàn)不好的學生而言，這種學習方法還是大家所不擅長的，且其對學生的職業(yè)素養(yǎng)、設計能力的培養(yǎng)不夠。而把3D打印作為教學手段應用于教學實踐，卻可以從根本上改變整個學習過程。根據(jù)本人在UG、模具設計與制造等課程的項目教學的實際經(jīng)驗，對基于3D打印的教學模式做如下構想：采用分組教學，教師講解完項目實例的設計后，同學們按照設計要求，運用豐富的課程資源，進行小組討論和自主學習，然后完成設計，借助3D打印得到模型實物，根據(jù)模型實物評價設計效果，如需要，可以改進設計重新打印，直到得到符合設計要求的滿意作品。

3D打印技術也可以引入高職機電類專業(yè)基礎課程教學中，如工程力學、機械零件、機械設計等。將3D打印應用于這些課程的教學中，可以將抽象的概念具體化，從而提高教學質量。如：羅徹斯特理工學院的教師在靜力學課程中，讓學生們設計橋梁并計算橋梁受力，所設計的橋梁按比例3D打印后進行試驗檢驗受力效果。

3.2 開設跨學科、交叉型“邊做邊學”的項目教學課程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

新的人才需求形勢下，需要不斷探索新的教學模式[4]。推動STEM等綜合教育項目，是3D打印技術應用于課程教學開發(fā)、改革的重要任務之一。

設計軟件和3D打印都不是此類課程計劃的焦點，而是利用技術通過應用抽象概念解決有趣的問題，進而幫助學生了解并掌握抽象概念。現(xiàn)在，設計軟件和3D打印機正在降價，教師和學生能夠直接體驗設計和工程加工。將來，我們可以創(chuàng)立更多的類似于“邊做邊學”的綜合教育課程。

類似于Fab@school項目或STEM課程，設想可以在機電類專業(yè)開設跨學科綜合教育課程“3D打印機的設計制作”，實現(xiàn)3D打印機的自我復制與升級。首先由教師和學生根據(jù)使用要求進行總體的構思設計，然后以學生為主導完成外觀、機床本體、控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、檢測裝置、輸入輸出系統(tǒng)的設計，采用開源3D打印數(shù)控系統(tǒng)，完成3D打印機組裝和調試。通過該課程的項目教學，學生既綜合地學習掌握了電氣控制與PLC、伺服原理、檢測元件及電路、機械原理等相關知識，且通過“邊做邊學”培養(yǎng)了學生團隊合作精神、創(chuàng)新能力及積極解決問題的能力。

3.3 掌握3D打印新技術，提供一條創(chuàng)業(yè)就業(yè)的新途徑

在我國，相關主管部門對3D打印產(chǎn)業(yè)進行了規(guī)劃和支持?？萍疾坑?013年首次將3D打印編入《國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）》。工信部2015年發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》。2016年《國務院關于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》提出要加快3D生物打印。2017年科技部下發(fā)了《科技部關于印發(fā)“十三五”先進制造技術領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃的通知》，工信部等12部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》。目前，各級地方政府成立了20多個3D打印產(chǎn)業(yè)基地和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值從2012年的22億美元增長到2017年的78億美元。麥肯錫預測，到2025年，3D打印潛在的經(jīng)濟影響將達到2300-5500億美元。

隨著3D打印產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，未來需要大量3D打印技術人才，包括設計、建模、3D打印機操作及維修等，這必將提供大量的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)機會。所以廣大高校有必要抓住機遇，新增3D打印技術新專業(yè)，或者在數(shù)控、模具等專業(yè)中設立3D打印技術方向，以滿足3D打印技術爆發(fā)式發(fā)展所帶來的巨大人才需求，為我國制造業(yè)的轉型升級提供人才支撐。

4 結 語

計算機最初的應用僅僅是局限于那些被認為與“計算機相關”的課堂，例如編程課，或者可能是數(shù)學課。但這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化，今天每個教室都在使用計算機，每個課堂（從歷史課到藝術課）都在使用計算機。更為重要的是，計算機已經(jīng)打開了教授和學習科學的全新方法的大門，并且這種改變結束的可能性遙遙無期[1]。

3D打印有可能延續(xù)相同的道路。目前，3D打印僅為高校相關課堂所采用，例如工業(yè)設計類、機械類等專業(yè)的設計、實訓等課堂?？梢灶A見，隨著3D打印技術的更加智能化、通用化，在將來，3D打印會被更多的課堂所采用。3D打印將打開教授和學習科學的全新方法的大門，且其實際應用前景已非常明朗。

參考文獻：

[1] [美]胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印：從想象到現(xiàn)實 [M].北京：中信出版社，2013.

[2] 王萍.3D打印及其教育應用初探 [J].中國遠程教育，2013（8）：83-87.

[3] 李昭伊，劉君，盧泰天.韓國技術教育發(fā)展的最新動向——以STEAM模型為中心的技術教育課程設計 [J].教育研究與評論：技術教育，2011（5）：13-19.

[4] 姜大源.論高等職業(yè)教育課程的系統(tǒng)化設計——關于工作過程系統(tǒng)化課程開發(fā)的解讀 [J].中國高教研究，2009（4）：66-70.

作者簡介：張文平（1982-），男，漢族，山東濟南人，副教授，主要研究方向：先進制造技術。