陳 云

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，安徽 六安237011）

0 引言

3D打印是一種以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用光敏樹脂、粉末狀金屬、工程塑料或陶瓷等材料，通過逐層堆壘的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，被稱為引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)之一，其廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)計、軍事武器、教育教學(xué)、醫(yī)療、建筑、娛樂等諸多領(lǐng)域。

1 3D打印工藝及特點(diǎn)

1.1 3D打印工藝

目前，3D打印主要有五種代表性工藝[1，2]，即粘合噴射、立體印刷、疊層實(shí)體制造、熔融沉積造型及選擇性激光燒結(jié)，由于FDM（桌面級）成型工藝的成本低廉、安全環(huán)保、效率中等的特點(diǎn)，其在教育上應(yīng)用較多。

1.2 3D打印特點(diǎn)[3]

1）應(yīng)用廣泛。3D打印可以應(yīng)用于任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原形。

2）設(shè)計無約束。由于很少考慮制造工藝，3D打印讓設(shè)計直接走向生產(chǎn)，任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)都可以制造出來，即“所想即所得”。

3）工序簡化。3D打印不需要切削機(jī)床，不需要太多的人力，不需要復(fù)雜的工序，直接打印零件。

4）制造周期短。3D打印直接從三維數(shù)字模型得到實(shí)物，生產(chǎn)周期大大縮短。

5）復(fù)雜的一體成型構(gòu)件制造。大而復(fù)雜的整體構(gòu)件采用傳統(tǒng)工藝（焊接、機(jī)械連接等）制造，成本高、效率低，而3D打印可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜整體構(gòu)件的低成本、快速制造。

2 3D打印在高等教育中的應(yīng)用研究

2.1 國內(nèi)外研究狀況

美國的《地平線報告》（2013年版）較為詳細(xì)的介紹了3D打印技術(shù)，報告認(rèn)為，該技術(shù)會在5年內(nèi)普及；美國華盛頓大學(xué)的老師在設(shè)計課程中引入3D打印技術(shù)，由學(xué)生先設(shè)計作品后打印出原型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)；意大利理論物理國際研究中心的Gaya Fior介紹了一個在數(shù)學(xué)中利用3D打印輔助教學(xué)的例子，該案例將等值曲面轉(zhuǎn)變成3D模型，并打印出可用于課堂教學(xué)的實(shí)物模型[4]；英國先以21個學(xué)校為試點(diǎn)，將3D打印融入到數(shù)學(xué)、工程設(shè)計等課程中，探索3D打印技術(shù)的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用。

2013年10月，同濟(jì)大學(xué)師生借助3D打印機(jī)打印出微型飛機(jī)，并成功進(jìn)行了試飛；2016年首個“易尚3D創(chuàng)客教育整體解決方案（設(shè)備工具、課程教材、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、師資培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)和互動平臺）”3D打印教育體系建成，填補(bǔ)了國內(nèi)3D打印教育的空白；2017年，3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、無限三維打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院、青島高新區(qū)3D打印職業(yè)學(xué)校與德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院、德州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)簽署協(xié)議，共同建設(shè)德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院3D打印學(xué)院，國內(nèi)首個3D打印學(xué)院將系統(tǒng)性地開展教學(xué)改革、技術(shù)服務(wù)等工作。

2.2 應(yīng)用特點(diǎn)分析

從理論上來說，該技術(shù)無需模具和刀具就能快速構(gòu)造任意形狀的物體，3D打印流程為：首先利用UG等三維造型軟件設(shè)計數(shù)字化模型，然后利用前處理軟件對CAD數(shù)字模型進(jìn)行分層處理，最后將前處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，3D打印機(jī)將會根據(jù)設(shè)定的參數(shù)一層一層堆疊出實(shí)物，成型后的物理實(shí)體需要對其進(jìn)行去除支撐、打磨、拋光、噴漆等工藝處理。

在教育領(lǐng)域，3D打印可以讓“創(chuàng)意有形、思維可見”，將抽象的理論變成具體的實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)觸覺教學(xué)，使教學(xué)更加生動；還可以直接將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為“看得見、摸得著”的物理樣機(jī)，不僅有利于教師及時發(fā)現(xiàn)圖紙文檔難以體現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題，而且有助于學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化自己的設(shè)計。

雖然3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，但仍存在一些弊端，例如：FDM成型工藝的精度不是太高；PLA成型材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度等）不足，而且材料易受潮，受潮后易堵塞噴嘴，使支撐翹曲；后處理階段需要較長時間對成型表面進(jìn)行拋光、打磨等。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 個性化教具實(shí)物化

《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》等課程理論性較強(qiáng)，對于學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力要求較高，往往高職學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥心理和厭學(xué)情緒。本文利用3D打印技術(shù)制作了直觀、便攜的凸輪機(jī)構(gòu)教具，如圖1所示。

圖1 凸輪機(jī)構(gòu)教具

該教具可以演示凸輪機(jī)構(gòu)的基本組成，主要由凸輪、從動件和機(jī)架組成的高副傳動機(jī)構(gòu)，此種凸輪機(jī)構(gòu)利用從動件自身重力使凸輪與從動件始終接觸，即所謂的力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)；搖動把手，凸輪轉(zhuǎn)動，從動件上下往復(fù)運(yùn)動，在凸輪轉(zhuǎn)一周的過程中，從動件上升、停止、下降、停止，即“升→?！怠！保芎玫匮菔玖送馆啓C(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程。

3.2 設(shè)計輔助

如圖2（a）所示的電吹風(fēng)數(shù)模，其手柄回收部位發(fā)生了干涉，屬于隱形干涉，不易發(fā)現(xiàn)。根據(jù)3D打印樣機(jī)的設(shè)計缺陷提出修改建議并反饋到設(shè)計建模環(huán)節(jié)，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，立即在建模軟件里修改相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，改進(jìn)后的樣機(jī)手柄可以回收到位，如圖2（b）所示。

圖2 改造前后電吹風(fēng)造型

4 應(yīng)用效果

由應(yīng)用前后的對比可知：

（1）借助3D打印技術(shù)，能夠?qū)⒃境橄蟮耐馆啓C(jī)構(gòu)理論知識變成個性化的教具，可視化地展現(xiàn)在學(xué)生面前，實(shí)現(xiàn)觸覺教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于學(xué)生理解和吸收。

（2）傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計類課程教學(xué)中，主要以單一的計算機(jī)繪圖和文檔計算為主，缺少實(shí)際制作過程，對于虛擬技術(shù)中不能察覺的細(xì)節(jié)問題很難被發(fā)現(xiàn)，使得三維設(shè)計軟件的魅力大打折扣。有了3D打印技術(shù)，學(xué)生可以直接將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為“看得見、摸得著”的物理樣機(jī)，能夠進(jìn)一步修改、優(yōu)化自己的設(shè)計，這對學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有重要的促進(jìn)作用。

5 結(jié)束語

增材制造（3D打?。┊a(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020）提出將推動“3D打印+創(chuàng)新教育”的應(yīng)用，高職院校應(yīng)抓住這一契機(jī)，在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《中國制造2025》文件精神的指導(dǎo)下，將其融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，如：實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、課堂教學(xué)、校企合作、技能大賽、創(chuàng)業(yè)等等。借助3D打印技術(shù)，可以創(chuàng)新課程的教學(xué)手段，將該技術(shù)與自制特定教具、設(shè)計評價及校企合作等方面聯(lián)系起來。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來其在高職教育領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，既能創(chuàng)新教學(xué)手段，為教學(xué)服務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量，也可以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握這項(xiàng)新技術(shù)，滿足社會需求，適應(yīng)時代發(fā)展。