3D打印技术及其在高等教育中的应用

俞彦勤

摘  要：叙述了3D打印技术的原理、类型及特点，分析了3D打印技术在高等教育中的应用，如作为传统专业的融合，作为材料成型及控制工程专业的工艺方向，作为独立设置的3D打印专业，基于3D打印技术的辅助教学，以及在创新教学模式与方法方面的应用。其分析结果可供3D打印技术在教学应用中参考与借鉴。

关键词：3D打印技术;高等教育;辅助教学;教学模式

中图分类号：TP391.73 文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）27-0161-02

Abstract： This paper describes the principle， types and characteristics of 3D printing technology， and analyzes the application of 3D printing technology in higher education， such as the integration of traditional majors and the technological direction of material forming and control engineering， 3D printing as an independent device， the auxiliary teaching based on 3D printing technology， and the application of innovative teaching models and methods. The analysis results can be used as a reference for 3D printing technology in teaching application.

Keywords： 3D printing technology; higher education; auxiliary teaching; teaching model

3D打印即增材制造的俗称，其核心就是把传统制造方法中的减材制造（如切削加工、激光切割等）、等材制造（如锻造、铸造等）变成材料增加型制造，它被称为颠覆传统制造技术的新技术。3D打印起源于上世纪八十年代中期，历经三十余年的迅猛发展，目前已广泛应用于机械、电子、医学、航空航天等领域，被誉为三次工业革命的关键技术。

1 3D打印技术原理

3D打印原理如图1所示，首先利用切片软件对零件的三维数字模型进行分层切片（图1（a）），每层厚度一般为0.1～0.2mm，得到各层截面的二维轮廓数据信息;成形头（喷嘴）通过控制系统按照这些二维轮廓数据进行喷涂粘结，分层制作各截面轮廓（图1 （b））;各层顺序叠加最后构成三维制件（图1 （c））。

2 3D打印技术种类[1]

（1）光固化立体成形SLA（Stereo Lithography Apparatus）用激光束使液态的光敏树脂（如环氧树脂、丙烯酸树脂等），液态光敏树脂发生聚合反应而快速固化，逐渐堆积成形为所需形状的技术。（2）叠层实体制造LOM（Laminated Object Manufacturing）是将片层材料（如纸、塑料薄膜、金属箔等）单面涂覆一层热熔胶，通过热压装置使材料表面达到一定温度，片层之间黏合在一起。激光切割系统根据计算机所获得的零件分层轮廓数据，将片材切割出该层的内外轮廓，激光每加工完一层，工作台则下降相应层高，然后将新一层片材叠加在上面，如此逐层堆积成三维实物。（3）选择性激光烧结SLS（Selective Laser Sintering）是使用激光束对粉状材料进行分层扫描烧结。计算机控制激光束，按截面轮廓数据信息，对制件的实心部分所在粉末进行扫描，当粉末的温度升至熔点时，粉末颗粒交界处熔化，使粉末相粘结，逐步得到各层轮廓而堆积成三维实体。（4）三维印刷成形法3DP（Three Dimension Printing），采用粉末材料（陶瓷或金属粉末），通过喷头粘结剂（如硅胶）将零件截面“印刷”在材料粉末上面，粘结剂燃烧消失后，金属在高温下渗入之，使制件致密且强度高。（5）熔融沉积制造FDM（Fused Deposition Modeling），也称为熔丝制造FFF（Fused Filament Fabrication）是在计算机的控制下，根据零件三维数字模型截面轮廓信息，驱动喷头及工作台沿X-Y平面方向做合成运动，使熔融的丝料涂覆并凝固在工作台基底上，从而完成相应截面层轮廓的涂覆，如此各层截面有序堆积，直至完成整个零件的堆积成形。

FDM方式目前较多应用于实验室环境下的实践教学。用于FDM方式进行3D打印的材料主要是聚乳酸（PLA）。图2为本项目FDM打印的制品。

3 3D打印技术特点

第一，无需传统的加工机床和工模具，直接制造零件样品。其次，产品研发周期短、材料利用率高、制造成本低。第三，可实现多品种、小批量、定制式的生产模式。第四，“所想即所得”，从理论上来说，无论多么复杂的模型，只要能通过计算机三维软件设计出来，3D打印就能够打印出来。第五，集中体现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、計算机数控加工（CNC）、激光、新材料等学科的思想和方法，是先进制造技术的前沿。是材料科学、信息技术、机械工程、控制技术等多学科技术的集成，具有多学科领域交叉、知识密集的特点。

4 3D打印技术在高等教育中的应用

4.1 与传统专业的融合

3D打印技术与传统等材制造技术如锻造、铸造等相融合[2]，使传统的工匠技术焕发出时代的数字气息。3D打印技术能将三维计算机辅助设计（CAD）软件设计的模型，通过3D打印机及其控制软件快速地制作出实物零件，或直接制备出复杂的模具型腔，进而缩短了产品的研发周期，提高了产品质量及效益、降低生产成本。通过CAD/CAE/CAM软件，设计制作个性化的模具零件[3]，使得学生即见即所得。对于铸造工艺来说，基于3D打印的铸造技术，不会存在边角余料的浪费，无需木模芯，制备周期短，由于能打印复杂的形状，使得铸造质量有更好的可控性。

4.2 设置3D打印技术专业

国内高校目前将3D打印培养计划设置在材料成型及控制工程本科专业（3D打印培养方向）。随着社会对于3D打印专业技术人才需求的日益增加，专门设置3D打印专业并建立科学合理的专业教育体系与人才培养机制，已成为我国高校亟待研究的课题，国内高校特别是高职院校已经起步设置3D打印专业[4]，并进行了人才培养体系的研究，在该专业人才培养方案、课程构建体系、师资队伍及实验室建设等方面积累了一些经验。围绕3D打印技术原理、增材制造工艺与装备、3D打印材料、计算机辅助设计及制造、建模技术（含逆向工程）、切片软件工程、三维数字测量技术等核心课程，来进行人才的理论与实践的培养。

4.3 基于3D打印技术的辅助教学

由于3D打印技术能实现虚拟世界与现实世界物体的快速转换，即将计算机中的虚拟模型转化为现实零件，因而在建筑、机械、医学、艺术、考古等众多学科中均可通过3D打印制作相关的仿真模型。机械类专业的教学过程，可利用3D打印技术进行典型机械零件的制作，如轴承、减速器等，可将抽象的零件可视化，并使零件复杂装配可操作化，从而大大提高学习效果;建筑专业可以对所设计的建筑作品实现微缩打印，并对打印出的作品进行美学等评估;考古专业可以对古董或工艺品进行复原或修复，或者是对原物进行三维扫描，为其建立并保存三维数字模型。动漫设计专业可以将构思设计的动漫角色人物打印出来，实现角色的现实化，解决了长期以来传统加工无法满足动漫模型加工的难题。医学专业，可以打印出病毒、器官、骨骼等模型，为临床实践课提供可视化的教具或实体。如骨科临床教学实践中，由于实体标本来源有限，原来主要是结合X片、CT、磁共振成像（MRI）以及课本插图来讲解，即使是后来的多媒体、视频讲解，也都只是平面性质的讲解，缺乏立体直观感和可操作性，而用3D打印技术能制造出一定比例的实体模型，将二维的影像资料以三维实体模型展现出来，将各种解剖结构直观地展现给学生，极大地提高了临床教学效果。化学专业可以打印出分子的立体结构模型。汽车及航空航天专业，可以通过3D打印得出所设计的汽车或航空航天器的外观，对其进行美学评估、动力学分析或者是进行风洞实验等。

4.4 创造先进教学模式与方法

第一，创客教育[5]（Maker Education）即基于创造的学习，以3D打印为创客平台构建起充满活力的创客空间，以激发学生的创新思维，培养其创造能力以及协同合作能力。第二，学生通过自己设计模型，个性化的模型打印教学环节，使学生“在做中学”，其学习知识内化，既提高了学习效率，也符合“以学生为中心”的先进教学理念。第三，基于STEM的创新能力培养[6]。STEM是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）四门学科的有机整合与多学科交融领域，STEM教育强调学生在纷杂的学习情境中获得设计、合作、复杂问题解决能力。毫无疑问，3D打印技术具备科学、技术、工程、数学特别是数学建模等特征，将成为STEM实践教育的有力工具。第四，高等教育教学已经从传统的框架式知识记忆模式发展为 “基于问题为导向的教学模式（Problem-Based Learning，PBL）”，基于3D打印技术的PBL教学模式，极大地提高了教学效果及学生的动手能力。

5 结束语

3D打印具有数字化、智能化的时代特征，不仅为传统专业带来活力，而且因为自身知识的综合性、系统性而终将成高等或高职教育的专业。3D打印技术除了直接应用于高等教育教学之外，还带来教学方式、教学内容、教学模式等方面的创新。

参考文献：

[1]王从军，刘洁，张李超，等.薄材叠层增材制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.

[2]杨青山，戴庆伟，喻祖建，等.3D打印技术在材控专业实践教学中的应用[J].中国冶金教育，2017（1）：76-77.

[3]俞彥勤，刘辉，邹佳鹏.模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究[J].实验技术与管理，2019（3）：210-213.

[4]邱海飞.3D打印专业教育人才培养体系研究[J].现代制造工程，2018（5）：62-67.

[5]桂亮，金悦，赵卫军，等.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用[J].实验技术与管理，2016（10）：181-184.

[6]吴永和，李若晨，王浩楠，等.基于STEM的大学生跨学科实践创新能力培养[J].现代远程教育研究，2018（5）：77-85.