3D打印技术及其在职业教育领域的应用

2017-02-01王永淇

辽宁农业职业技术学院学报 2017年6期

王永淇，孙佳

1 3D打印的内涵与应用

一般来说“3D打印（3DP）”又被称作“快速成型技术”，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印概念早在1892年就被美国学者Blan ther提出，使用层叠成形方法制作地形图的构想，但由于当时的技术局限性，所以这种制造思想一直未能实现，时隔近90年，1980年代，第一台商业3D打印机由美国科学家Charles Hull开发完成。它是建立在电脑制图、伺服电机、多轴定位、新材料运用等技术之上的一门新兴加工方式。一经发明，这种技术就被引入诸多领域，比如珠宝设计、医疗与牙科、土木工程、机械制造、航空航天等等，并在这些领域发挥其重要的作用。

1.1 3D打印机的“喷涂”过程

常见的桌面级3D打印机以热可塑性树脂和光硬化树脂作为材料。热可塑性树脂类3D打印机的工作原理是通过喷头等加热组件使树脂线圈熔融，挤压将熔融的部分黏附在工作台上，通过已经设定好的点云文件（STL格式等），一层一层将模型堆积出来。光硬化树脂类3D打印机则没有工作台，取而代之的是树脂槽，液态的树脂在树脂槽中，通过光不断变化的照射轨迹，使得液态的树脂转化为固态的树脂，进而成形出指定的设计模型。它们的共同点是都有非固态转化为固态的一个变化过程，并且成形都是由低向高的一个堆积过程[1-3]。

1.2 3D打印的原理及优缺点

传统的机械制造业的毛坯料通过锻造、铸造等方式获得，从毛坯料到标准零件是一个漫长的过程，需要通过确定基本尺寸、备料、划线、制定加工工艺、装夹坯料、粗加工、精加工和光整加工等一系列繁琐的工序来制造出符合标准的零件。其原理是通过去除材料来制造零件，也就是“减材减法”。

3D打印则完全不同，它的原理是“增材加法”，它们的区别可以通过图1看出。

图1 减材制造与增材制造的区别

通过对比，3D打印具有以下优点：①只使用必要的材料（图2悬垂部分需要多余的支撑、初始打印时需要一部分底层，可以去除），因此省材、环保性高。

图2 3D打印后支撑去除前后对比

②成形的结构较传统工艺复杂、形状的自由度高（理论上无论多么复杂的形状都可以一层层堆积出来）。③缩短制造环节，并且可以同时制造多个不同的复杂形状。④只通过点云文件就能够多次打印出一样品质的形状，无需太多专业领域的知识。⑤可以远程操作3D打印机打印。

尽管3D打印优点很多但因为技术发展时间较短，尚存在以下缺陷：①能够使用的材料种类较少。②因为是逐层堆积，所以在外观上有阶梯状的积层痕迹。③与射出成型和注塑成型相比材料成本高。④成形速度慢，成形体积小[4]。

2 3D打印的市场前景分析

近年，在工业4.0的浪潮下，3D打印技术改变了很多领域的原有生产模式和经营模式，各国的3D打印生产商都在行业中不断进步、推陈出新。

通过近几年的行业年报可以看出国外的3D打印生产商通过强大的技术支持抢占了很大的市场，我国的增材制造业前期发展较为缓慢，但在《国家增材制造产业发展推进计划》、《中国制造2025》等政策相继出台后也厚积薄发，蓬勃发展。根据《全球3D打印机制造商排行榜TOP30》的分析报告，2014年中国制造商在总数上占30%，2015年的TOP10中国公司总数与2014年相比由1家上升至5家，中国经济土壤为技术创新、新兴科技公司创业“深翻”的能力由此可见一斑。

第一台商业3D打印机被发明至今已有30多年，从图3的整个市场发展周期可以看出，它从价格高昂、不被市场认可发展到如今的高销量、高性能和低价格[5]。

图3 3D打印市场发展周期

3D打印在诸多领域应用广泛，但就应用行业而言，目前消费品与电子产业的应用最多，占到22%，教育和科研占19%，医疗占17%。有专家预测医疗行业2020年将达到7.6亿美元，而这只是3D打印市场份额的冰山一角，从媒体新发布的《2015-2020年中国3D打印行业深度调研与投资策略分析咨询报告》来看，市场规模年均增长率达到26%以上，预计2020年将突破210亿美元。

3 3D打印在创新教育中的优势

在未来机遇与挑战并存，所以培养学生的想象力、创造力、独立思考能力就至关重要，3D打印在培养这几种能力上有着显著的效果，并且理念上，3D打印的优势与创新教育的思路不谋而合。

创新教育是以培养人们创新精神、创新能力为基本价值取向的教育。创新精神的初期是兴趣和求知欲，创新能力是将想象付诸实践并有效实施的一种能力。近年来随着3D打印在教育领域的蓬勃发展，很多教育机构和专家提出了3D打印辅助创新教育的理念，提倡开发学生的创造性思维、动手能力、发现问题和解决问题的能力。

3D打印为创新教育注入了一剂催化剂，通过“虚实结合，创造相依”的这个特性，在教育教学中运用3D打印，将原本复杂的形状打印出来，让学生看得见又摸得着，一定程度上提高了学生的学习兴趣，起到了“兴趣是学习之母”的重要作用[6-7]。

近年来3D打印在初等、中等教育体系里被大力推广，3D打印走入学生课堂，在一定程度上3D打印推动了基础教育的改革，使得授课内容更生动、具体。有益于开发学生的智力、锻炼学生的能力是其广泛应用的最关键因素。接下来就几个方面来看看，学生是如何通过运用3D打印技术，并在此过程中逐步提高自己能力的。

首先学生经过独立思考，将自己创作的文件从纸上转化为成形后的立体模型，在制作的过程中增强了学生的创造力和团队协作能力。其次在2D变3D的转化过程中，学生通过观察和触摸，在感知上增加了一个维度，提高了理解能力。最后在作品展示的时候，学生需要组织自己的语言，增强了学生的交流能力、自我表达能力。

4 3D打印在职业教育的应用

从市场前景来看，职业教育为私人订制市场提供人才储备。随着科学技术发展日新月异，人们的思想从广告的大众化暗示中逐渐走出，需求日趋个性化，市场也随之进入个性化定制来满足消费者需求的时代，3D打印紧抓这个时代契机，在应用市场中逐渐拓展占有份额。在我国，越来越多的企业把资金和人力投入到3D打印产业的相关研发当中，市场也不断的需要相关的人才（如表1），市场竞争力不断增强。而与蓬勃的产业发展相比，专业人才的培养目前处于稀缺状态，面对未来岗位人才的巨大缺口，职业院校需要把个性制造人才的培养提上日程。

表1 3D打印行业人才需求前景

为应对广泛的应用前景与急需的人才储备，我国诸多职业院校都开设了3D打印相关专业(如表2所示)，并安排了创客教育、专业创新项目等授课环节来教授3D打印技术[8-9]。

表2 职业院校增设3D打印相关专业概况

随着3D打印机系统的智能化、模块的简洁化，使它在有实验环节的课程得到了大量应用，例如在机械设计类课程上，教师可以摒弃传统的二维图片、幻灯片展示，将设计好的不同形状的凸轮、齿轮等复杂构件直接制造出来，让学生在直观上更容易了解课堂的内容。再如3D软件应用课程，以前，大部分的学生学习软件知识，只有少部分实操能力较强的学生能到数控机床上将设计好的产品加工出来，而多零件组装的产品需要一件件加工，费时费力。现在，学生可以通过3D打印机将产品直接一体化打印出来，或者一次成型该产品的多个零件，这种可操作性使得课堂教学生动有趣，学生的能动性也逐步提高。