基于3D打印技术的教学实训室及其应用

邵雨虹 刘海明 张宝文

（长安大学 现代工程训练中心，西安 710061）

3D打印技术又称为增材制造，属于机械工程学科特种加工工艺的范围，综合了机械工程、信息技术、控制技术及材料科学技术，是一门多学科交叉、多技术集成的先进制造技术，也是制造理论研究成果中具有代表性的成果之一，被认为是第四次工业革命的代表性技术之一[1]。《中国制造2025》发展规划中，3D打印作为代表性的新兴技术，以其自身独特优点，推动了制造生产模式的变革，推进了信息化与工业化的深度融合，是加快实现智能制造的重要技术手段。

在“新工科”建设的背景下，为更好地培养创新型和复合型卓越人才，长安大学现代工程训练中心（下文中简称“中心”）作为高校工程教育的实践教学基地，不仅有传统的金工实习，还增加了工业制造领域中的新技术和新工艺综合创新实训[2-3]。因此，“中心”建设了3D打印实训室，开设了基于3D打印技术的教学实训，让学生了解和初步掌握这种先进制造技术，丰富了工程训练的内容，旨在提高学生工程实践和综合创新能力。

1 3D打印技术

3D打印技术是基于三维CAD几何模型，利用分层软件分层处理和数控成型系统，通过激光或其他方法将材料逐层堆积，自下而上形成三维实体模型的制造技术[4]。3D打印技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，解决了基础制造技术中难以加工的复杂零件的成型问题，大大缩短了加工周期，而且越是复杂结构的产品，3D打印技术的制造效率越显著[5]。近年来，3D打印新工艺、新装备取得了快速发展，根据成型方法可分为熔融沉积成形（FDM）、分层实体制造（LOM）、光固化立体成形（SLA）、电子束选区融化（EBM）和选择性激光烧结（SLS），广泛应用在模具制造、工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗产业、教育、地理信息系统和土木工程等领域[6-7]。

2 3D打印实训教学

2.1 实训教学设施

“中心”的3D实训室使用面积约为80m2，配备有1台Inspire D290快速成型机、15台太尔时代UP！plus2桌面3D打印机、1台先临三维扫描仪和16台台式电脑。3D打印实训室配备有两名实训指导老师，并编制了3D打印实训指导书、教学大纲、PPT课件、实训报告和实训室管理规章制度，为3D打印实训教学的顺利开展奠定了基础，实训教室及相关设备照片分别如图1～4所示。

2.2 实训教学目标

3D打印实训旨在使学生了解目前常用的3D打印技术、设备及材料、数据处理等内容，使学生掌握实训室配备的3D打印机工作原理和操作使用，使学生具备独立使用3D打印技术进行模型制作的能力。

图1 3D打印实训室

图2 太尔时代UP PLUS2 3D打印机

图3 太尔时代Inspire D290

图4 三维扫描仪

2.3 实训的基本要求及内容

2.3.1 基本知识

了解快速成型技术的发展历程，各种不同成型技术的基本原理；了解快速成型工艺过程、特点和应用；了解三维扫描仪的结构形式和操作方法；熟悉3D打印的工作流程和3D打印机的分层软件及打印支撑的设置；了解UP！桌面3D打印机结构形式，掌握设备的操作。

2.3.2 基本技能

掌握熔融沉积成形技术的基本原理，会熟练操作实训室配备的UP！桌面打印机和分层软件，能根据不同零件的几何形状，设置匹配的支撑，以获得最高的成型精度。

2.3.3 实训内容

3D打印实训课程采用多媒体讲解、示范讲解和学生独立操作的工程训练模式。实训指导老师利用多媒体介绍快速成型技术的发展历程、种类、基本原理及其应用，重点讲解熔融沉积成形方法和特点，并示范操作三维模型的建模、3D打印机及分层软件的使用。受训学生要求独立设计三维模型，掌握3D打印机工作平台调平和喷嘴高度设置，独立完成3D打印零件，并且满足一定的精度要求。

2.4 实训考核方式

实训报告：要求实训报告对实训内容、主要操作过程和结果进行记录和总结；考核方式：根据设备操作的规范度和打印模型的精度，并结合实训报告给出成绩。

3 科技创新实践

3D打印技术具有快速成型和自动化程度高的显著优点，缩短了产品设计与制作周期，大大降低了人工成本，满足了学生创新设计的个性化、定制化、多品种和小批量的产品需求。当前，在工程训练综合能力大赛、机械创新设计大赛、“挑战杯”和“互联网+”等课外科技活动中，处处可见3D打印的作品。2017年第七届上海市大学生工程训练综合能力竞赛以3D打印为主题，要求制作一辆实现特定越障功能的3D打印无碳小车。此外，在文科学生的美学和工艺品设计上，3D打印机技术突破了传统纯手工制作模型的局限性，拓展了学生思维创新能力[8]。因此，3D打印技术已成为科技创新实践活动的一项重要技术支撑。

4 结论

3D打印以其制造原理的优势，在工程教育中更好地将理论与实践联系起来，基于3D打印技术的教学实训，拓宽了学生的视野，加深了学生对行业内先进技术的认识，激发了学生的创新与实践能力，课堂反应效果良好，进一步推进了我校工程实践教学改革。3D打印技术为创新教育提供了新资源、新工具，推动了学校科研教学的发展。在创新创业、创客运动的大浪潮下，3D打印实训室为“中心”创客空间的建设提供了硬件支持，成为学生创客的创意实现场所。

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[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

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[6]张学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[7]兰天.3D打印技术应用的意义[J].内蒙古科技与经济，2014，（2）：106.

[8]叶小峰.3D打印在艺术设计实验教学中的探索[J].艺术科技，2015，（3）：28.