3D打印在教育领域的应用——以三维打印技术为例

1.引言

高校应用型人才培养中，与行业需求的贴近尤为重要，专业实践教学的重要性愈加显现。行业的新技术已经走进课堂，冲击并改变着原有的实践教学模式。

2012年4月英国《经济学人》杂志发文称：以三维打印技术为代表，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志的第三次工业革命已经到来，三维打印机将开创一个崭新的工业时代。

2015年5月8日在国务院公布的制造强国战略第一个十年行动纲领《中国制造2025》中提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”[1]。在文件中三维打印技术反复出现6次，贯穿于背景介绍、国家制造业创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展等重要段落，并融入于推动智能制造的主线，成为该战略计划中的重要一环[2]。同时，文件中特别提到最重要的是人才需求，强调要健全完善中国制造从研发、转化、生产到管理的人才培养体系。重点培养：高层次专业技术人才和创新型人才、优秀企业家和高水平经营管理人才、既懂制造技术又懂信息技术的复合型人才“三类高端紧缺人才”。

我校产品设计专业正着力于培养具备产品设计理论知识及产品造型能力，掌握产品设计程序与生产工艺过程，从事以产品创新为重点的设计、管理、科研工作的高素质应用型人才。这些契机的交汇使得三维打印技术融入我们的实践教学之中。

2.三维打印技术特征及优点

三维打印（3D Printing）技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[3]，是当前较为成熟的快速原型技术，主要依赖增材制造方式通过材料叠加堆积形成三维实体模型。技术原型为J. E. Blanther 1892年关于分层制造法构成地形图的美国专利[4]。后来Charles W. Hull 在1983年发明了世界上第一台3D打印机并在1986年成立了3D Systems公司，开发了现在通用的STL文件格式；1988年，该公司推出了基于SL技术的3D工业打印机。此后世界上出现了SLA(光敏树脂选择性固化)、SLS(粉末材料选择性激光烧结)、FDM(熔融沉积)、3DP(3D喷射打印)、PUG(真空注型)等3D打印成型技术。

表1 SLA 、FDM、 DLP 三种设备对比

表2 三维打印在各学科教学中的应用

与传统制造方式相比，三维打印技术带来的是生产加工理念的革命性变革。其主要技术特征表现为：制造设备无模具，快速自由成形；生产过程全数字化，高柔性；能够制造近乎无限复杂的几何结构；当前技术可应用于多种类材料的制造；可以实现多材料任意复合制造（例如：功能梯度结构）。这些特征使得三维打印技术在实际生产中具备如下优势：

首先三维打印技术可以缩短加工制造周期，而且能大幅降低生产成本，特别是突破了传统加工制造方法对复杂形状加工的限制，使人类在加工领域实现了自由。

其次三维打印技术在医疗领域、航空航天领域、首饰制造等特殊领域广泛运用。譬如：在医疗领域，上海交大附属第九人民医院借助三维打印技术制造了一个人工盆骨，并且成功地移植到了患者体内使其康复。

再者三维打印技术成品的可塑性非常强，从二维到三维均可实施，加工过程逐层打印，打印机的加工精度可以精确到每层0.01毫米。

最后三维打印技术在个性化定制方面具备极大优势。传统的工业制造是依赖产品批量降低产品成本，难以实现个性化生产，但三维打印技术让低成本个性化定制成为可能。

3.主流三维打印设备比较

近年来基于“SLA、SLS、SLM、FDM、DLP、MJM……”等不同技术的三维打印机日趋成熟，打印尺寸大、精度高、材料兼容广泛的工业级设备和打印尺寸较小、精度尚可、打印材料单一的桌面型设备都层出不穷。但在教学活动中由于受到设备与耗材成本的限制，用户广为接受、大量应用的是桌面型打印设备。此类打印机多基于熔融沉积成型技术（FDM）和光敏树脂选择性固化技术。其中光敏树脂选择性固化技术又分两类：立体光固化成型技术（SLA）和数字光投影成型技术（DLP）。在此我们就来比较一下基于FDM、SLA、DLP这三类技术的桌面型三维打印机，如表1所示。

FDM 三维打印机，在架构上灵活多样，成形尺寸可以做得很小，也可以做得很大。设备与耗材价格便宜，普及度高。但是大成型尺寸时稳定性不好，打印速度慢。成型主要通过挤出头挤出耗材，台阶效应明显。加工精度与流畅度都受喷头直径影响，且相互制约。

而SLA和DLP由于是光照成形，所以精度要高得多。DLP出来的光是扇形光，是散射的，SLA是激光，近似一条直线，所以在精度上会优于DLP。

因此，以玉米芯残渣为原料，利用PFI打浆预处理提高其酶水解效率，是一种“变废为宝”的绿色工艺，符合可持续发展的理念；同时，进一步研究底物特性对其酶水解效率的影响，有利于更深入地理解非木材纤维原料的酶水解机理，完善纤维原料的酶水解理论体系，对提高酶水解效率和提高原料利用率等方面有重要意义。

SLA三维打印机也是通过光轴移动来打印的，理论上可以做很大的尺寸，但目前的技术还无法做出大型SLA 三维打印机。成型主要通过激光点固化材料，加工精度高。

DLP三维打印机用的是投影仪的数字光源，区别于SLA三维打印机用的激光，通过散射的扇形光固化材料，如果做大的话，很难保证精度。

图1 在教学中引入快速原型环节前后的设计实践过程

图2 用于三维打印的数字化模型

图3 用于方案优选的快速原型

总的来说，成形尺寸：FDM 〉 SLA ≈ DLP；成形精度：SLA 〉 DLP 〉 FDM；机器价格：SLA 〉DLP 〉 FDM；耗材价格。SLA ≈ DLP 〉 FDM。

近两年就各类增材制造展会上所推介的设备及应用情况来看，熔融沉积成型技术（FDM）的相关设备切实实现了能用、好用、价优的期待目标。精度足以满足产品设计专业领域内快速原型的应用需求，在打印时间与稳定性等方面的表现也相当不错。对于小批量、非耐久性使用的设计样品定制也绰绰有余。相较其他类型的产品，FDM 三维打印机设备价格大大降低，耗材稳定性较好，不存在技术障碍，加工产品后期及表面处理工艺趋于成熟，必要时可以通过多台设备同时打印缩短加工时间。目前无论对于从事三维打印服务、辅助教育教学等需求领域来说，FDM 三维打印机是最简单、直接的方式，在技术和设备上有着较完善的支持方案。

4.在教育领域中的应用

三维打印技术的特征与优点使得该技术广泛应用于新产品的快速开发、个性化制造等领域，我们借助该技术以实现传统技术难以应对的极端复杂结构；利用三维打印技术制作设计方案模型与样品，以优化设计、提升产品功能。同时三维打印技术也为教育行业提供了全新教学方式，作为一种通用的技术"它可以应用到大部分的学科中去"，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育"，尤其适用于设计、工程相关领域或是需要快速制作模型的领域[5]，如表2所示。各学科教育中既可以享受到三维打印技术辅助教学的便利，同时还能激发并推动学生进行创新设计，并且对三维打印技术的掌握会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远影响[6]。

5.三维打印与产品设计实践教学

产品设计教学过程中的实践教学环节，主要是教师提出实践项目并带领学生围绕项目展开设计实践训练，而三维打印技术使得设计实践中设计方案的快速原型得以普及。在三维打印机引入实践教学环节之前，产品设计快速原型主要依赖CNC设备，而此类设备虽能实现设计样品生产加工，但设备价格昂贵，耗材成本较高，设计方案从CAD到CAM转化过程中需要高素质专业人员解决相关技术问题，并且加工过程中控制设备的操作人员也需要经过专门的训练以应对复杂的技术参数。因而在早期各高校的产品设计教学实践中，虽有很多高校投入资金完成相关配套，但最终只有少数有足够商业项目支持且与生产企业对接较好的学校能够完成整个教学实践过程。同时由于产品设计专业学生的工程素养限制，这些复杂的实践过程使得他们知难而退，加之成本昂贵，最终快速原型实践变成了见习环节，学生们实践教学的设计方案更多地停留在设计图面上。

1992年左右开始从事三维打印技术研究的清华大学激光快速成型中心是国内最早进入该领域的机构，随后相关研究在国内各领域逐渐展开。我校在2010年采购相关设备，开始探索相关技术在产品设计专业教学实践中的应用。当前在相对成熟、低廉的FDM技术的支持下相关实践得以推广。

图4 用于研究构件组合的快速原型

首先，增加了快速原型实践环节。由于FDM技术的一系列优势，使得在有限的教学时间内学生能够完成简单的设计原型。这些设计原型注重整体形态与基本结构，不需要进行表面处理，主要用来研究结构、优选方案、修正设计，在实践项目完成时辅助设计方案评价。师生在设计实践与指导过程中完全采用数字化设计，只需在CAD环节考虑好快速原型的数模需求即可，如图2所示。

其次，设计方案更关注产品形态的创新性。由于三维打印对于复杂造型的轻松实现，使得设计实践中大大降低了对于绘制工程图纸、产品造型的易加工性等环节的精力投入。依赖三维打印技术，设计者可以将有争议的形态或节点以实物方式呈现，全面感受、比对设计方案，完成在图面上难以完成的设计方案优选，如图3所示。

再者，通过快速原型实践有利于学生培养良好的工程习惯。虽然快速原型相对传统加工受到的工程限制较少，但设计从纸面转化为实物的过程中还是要考虑很多工程问题的。譬如：设计方案具体尺度，设计构件的人机关系，不同部件间的配合方法，简单机构的运转方式等等，如图4所示。学生们以往只是注重效果图的视觉比例关系，而引入快速原型后他们从设计之初就会考虑产品的尺度，按照真实尺寸构建设计方案，研究产品节点与细部架构，设计方案不再停留在外观表皮[7]。

图5 用于设计评价的公交站快速原型

最后，快速原型提升了设计评价准确度，促进了设计指导。由于快速原型的帮助，使得设计方案实物化，在设计评价时实物展示与设计图面相互对照，效果图结合快速原型表现出的节点与机构状态，全方位展示设计方案，使得设计表达更加准确，如图5所示。所制作快速原型实物易于储存、展示、研究，方便了同学间的交流，对于后续类似设计实践的指导具有极高的参考价值。

6.结语

三维打印技术有着传统制造手段无法比拟的优势，随着相关设备的飞速发展为产品设计教育带来全新的机遇。学生们的设计实践可以借此技术得以实物化，使设计者能真切地感受自己的创意，切身地体会与评价自己的设计。当然，当前的三维打印技术本身也存在较多的缺点与局限，因而在产品设计教育中应用时我们必须明确其从属地位，认识到三维打印技术只是一种实现快速原型的技术途径，是辅助设计师优化设计，评价方案的手段。再者，要让学生明确，三维打印为代表的增材制造只是一种加工方式，它的加工件受到材料、表面工艺以及精度的限制，还很难真正代替批量化产品，不能因它而忽略其他的加工方式。同时还要继续关注各类材料与工程知识，完善知识体系。此外，三维打印技术带来的产品设计实践教学方式变革也提醒我们，要关注前沿技术，掌握时代脉搏。三维打印经历了喧嚣，现在又归于沉静，作为一项新的技术，它有许多值得肯定的优势，迄今为止相关领域并没有停止对其研究，但要想真正与传统制造抗衡还有很长的路要走。有些资本以浮躁、炒作的心态对待它，盲目夸大推高，只能适得其反。

注释:

[1]司建楠：《“中国制造2025”苗圩破题工业强国》，《中国工业报》，2015年3月9日，第A01版。

[2]任汪洋：《基于FDM成型工艺的桌面级3D打印机优化设计》，硕士学位论文，合肥工业大学，2017年。

[3]张晶：《用3D打印手段培养创造性思维的教学设计研究》，硕士学位论文，沈阳师范大学，2016年。

[4]黄卫东等：《增材制造与创新设计》，《2014新材料国际发展趋势高层论坛》2014年第9期，第23-27页。

[5]李青、王青：《3D打印：一种新兴的学习技术》，《远程教育杂志》2013年第4期，第29-35页。

[6]熊金泉：《3D打印在教育领域的应用研究》，《南昌师范学院学报》2017年第6期，第21-25页。

[7]舒伟、孙福良：《基于产品设计专业工作室的“互联网+”创新创业教育平台建设研究》，《佳木斯职业学院学报》2018年第10期，第385-386页。