3D打印技术应用及教培模式的创新与研究

蔡亲玮 王潇宇 王艳武

3D打印技术的成熟与广泛应用，为教育创新发展提供了重要的驱动力。近年来，国内3D打印教育发展迅速，围绕项目实施的各方参与者对3D打印教育理念的认识程度及推广力度也不断提高。同时，国家政府机构对推动3D打印教育的落地发展也愈发重视，可集中3D打印机研发的优势，自行设计生产特色化的3D打印机，在向市场输入优质3D打印机的同时推出3D打印机教学业务。可集中利用大学生的优势资源，通过入驻学校的方式开展3D打印培训，与传统的兴趣班相比，具有招生压力小，培训成本低等优势。将3D打印机设计制造与3D打印教学集成的企业稀少，并且国内3D打印培训处于起步阶段，是一片蓝海市场。

一、3D打印在课外科技培训的特点

（一）3D打印技术引入课堂

随着科技的发展与我国素质教育的普及，3D打印技术将会逐渐出现在中小学课堂中。3D打印技术在很多领域都有了广泛的应用。在军工方面，目前已经研制出可采用3D打印技术制造的轻武器，在航空航天方面，我国先进战斗机已经采用了通过3D打印制造的部件。

在教育领域，3D打印技术可以改变传统课堂的教学模式，可将虚拟的变成现实的，可将遥不可及的变成触手可得的，也可将抽象的变成变成具体的。通过3D打印，也有利于提升学生的思维思维能力和创造能力。可在学校的社团中开展关于3D打印的培训，逐步培养学生们的兴趣爱好。现在国内的很多中小学都组建了对于素质教育的兴趣社团，建设学生实验室，开展对应的3D打印实训课程与比赛，使3D打印更深入地进入到中小学生的课堂中。

因此，对3D打印技术在课堂教学中的应用情況进行研究，并对广大的一线教师开展相关的系列培训，具有重要的研究意义和实践价值。

（二）3D打印教育的优势

3D打印技术改变了传统的教学规则。教师可以将3D打印技术引入教学实践，提高课堂教学吸引力及增强互动性，达到更好的教学效果;学生通过3D打印技术，可以培养创新意识和动手能力，提高团队合作能力和问题解决能力。对于企业来讲，开展3D打印教育，能够带动行业发展、带动3D打印技术在教育市场的普及与应用。

（三）3D打印课外培训行业的市场痛点

1.培训企业以校外培训为主，根据以往的中小学兴趣班的培养模式来看，具有招生周期慢，学生教学成本高，在有限的时间周期内学生的学习时间次数少，培训成本高等问题。

2.绝大部分致力于教育市场的企业不涉足3D设备的研发，在教学活动中采用第三方生产的设备价格高昂，且售后的维护周期长，手续繁琐，在普及性的3D打印教学中并不实用。

3.生产针对于教育市场的3D打印机厂商不涉足3D打印教育市场，3D打印机生产商可提供优质的设备但不能提供优质的3D打印培训。

4.市场鲜有结构简单，实用性强，令人耳目一新的3D打印机，我们可提供完自主设计的，高质量，高可靠性，且实用性强的3D打印机。国内许多机型都由国外知名机型改进而来，少有厂商致力于研发新型3D打印机。

5、如今3D打印教育，普遍缺失的是教材以及教师队伍，3D打印作为一项新时代的新产物在师资力量培训方面没有完整的系统体系，且教师培养成本高，时间周期长，对于中小学教育市场性价比极低。

二、3D打印在教育领域的培养模式

（一）培养模式的创新

3D打印行业可集3D打印机研发制造、3D打印教学以及周边相关科技产品培训为一体。集中3D打印机研发的优势，自行设计生产特色化的3D打印机。向市场输入优质3D打印机的同时推出3D打印机教学业务。

目前国内3D打印培训处于起步阶段，是一片蓝海市场。企业可集中利用行业的优势资源，通过入驻学校的方式开展3D打印培训，与传统的兴趣班相比，具有招生压力小，培训成本低等优势。在大学生兴趣群体中进行选拔，通过企业的内部培训以及结业考核，向市场提供质优价廉的师资力量，解决了市场上没有合格指导老师的困难。

（二）对于3D打印配套产品的研究

企业应针对课堂教学的特点，研制对应特点的3D打印设备。以45分钟为一课时，留给学生操作的时间并不多，为了能达到立等可取的效果，对3D打印机的打印速度有一定的要求。学生操作3D打印机要能够便捷的进行维护与保养，故机械结构方便应当轻量化设计。为达到上述的目的，我们对于3D打印机开发做出了以下创新。

1. 独特的悬臂设计

Mini i3采用悬臂设计，节约40%的结构组件，降低了组装时间，节约的制造成本。在机械设计上比较新颖，结构简单，有效，高效。我们利用Z轴的直线导轨模块，设计了一个固定零件，集成了X轴步进电机。9号直线导轨刚好于12号直线导轨的滑块间距相等，我们将9号直线导轨直接安装在12号直线导轨的滑块上，外加固定零件提升精度和强度。

2.极低的运动负荷

目前的FDM打印机主要有两种传动方式，分别为丝杆传动和同步带传。我们在设计初期采用的是丝杆传动，但丝杆本身自重较大，且由于丝杆本身的导程限制，传动效率以及速度较慢。我们在实际测试中发现了这些问题，将丝杆传动升级为同步带传动。Mini i3的X轴运动负载仅来源于直线导轨与滑块间微小的摩擦力以及同步带的自身张力。进一步提高了打印速度，提高了mini i3的实用程度，基于市面上常见的悬臂结构I3打印机，常常存在结构不稳等情况，结构设计复杂，传动负载大导致打印机打印精度不高，所以我们将mini i3的传动零件精简化设计，采用独家的同步带特色传动，相较于市面上悬臂i3。我们研发的产品解决了传动效率不高的情况。

3. 集成式光轴安装支架

常见的光轴支架一般为独立结构，即一根光轴的一边只能安装一个支架，而mini i3的光轴间距较小，我们将光轴支架做成一体化，简化了光轴安装难度，光轴支架的一端能与靠外的铝型材对齐，不需要工装件，便于新手组装。

4. 挤出头支架设计

我们设计了一个L型零件， 能够将将挤出头固定在直线导轨滑块上，外加扇热风扇。将挤出头和散热风扇集成的设计提高了散热的效率。同时，散热风扇的加入，解决了挤出头堵头的问题，提高了可靠性。

基金项目：武汉东湖学院青年基金项目（2019dhzk002）

湖北省教育厅指导性项目：B2020244

武汉东湖学院机电工程学院 湖北 武汉 430212

武汉东湖学院管理学院 湖北 武汉 430212