3D 打印在传统材料成型专业教学升级中的应用探索*

2022-02-14李银银张锦洲

新教育时代电子杂志(学生版) 2022年32期

李银银张锦洲刘倩

（1.长江大学湖北荆州 434023；2.荆州职业技术学院湖北荆州 434020）

3D 打印技术是一种根据计算机生成的数字化模型快速制造或修复零件的先进技术，已经广泛应用于建筑、医疗、航空、汽车、电子、食品等各个领域。[1]3D 打印与传统加工技术相比，具有能够实现个性化零部件的快速成型、无须去除材料、无需专门的模具、可以加工复杂曲面、空腔和结构等突出优点。[2]

传统加工技术典型的成型方法是减材制造。减材制造一般通过铸造、锻造等方法形成毛坯，然后通过车、铣、刨、磨合特种加工等形成零件，最后通过焊接、装配等得到产品。与减少材料制造不同，增材制造直接根据计算机图形数据增材而生成各种形状的产品。增材制造通过数字化模型将材料逐层堆叠形成所需的产品，无须生产专门的模具，因此大大缩短了产品的开发周期，进而提高了产品的生产效率，降低了成本。[3]

材料成型专业课程大部分都与生产实践紧密结合，用来指导生产实践。然而，由于高校课程与生产实践的巨大差异，在课堂上很难建立起二者的联系。此外，高校传统的教学手段相对单一，生产实践案例不能很好地引入到材料成型专业课程的学习中，这往往使学生的学习变得枯燥乏味，难以满足新工科背景下材料成型专业的人才培养理念。[4]

再者，大部分省属高校经费相对缺乏，学生基础知识相对薄弱，专业学习难度大，在缺乏足够教学工具的情况下，学生很难完全理解需要掌握的知识，进而逐渐失去对专业知识的学习兴趣。

新工程背景下创新型人才的培养要求在传统方法的基础上引入新的教学技术和手段，并与现有的教学方法相结合，实现理论知识与工程实践的有机结合，这样一方面可以激发学生学习的积极性，另一方面也可以培养学生的创新精神。[5-6]

运用3D 打印技术实现传统材料成型专业的教学升级，一方面可以让学生掌握更多的材料成型相关技能，改善学生对材料成型专业和职业的态度；另一方面可以使教学更加形象生动，促进学生更好地掌握所学的知识，进而激发学生的学习兴趣，增强学生的创造力，同时也提高教师的兴趣和参与度。[7]

一、3D 打印行业现状

3D 打印，也称为增材制造，是一种快速原型技术。[8]近几十年来，3D 打印技术经历了突飞猛进的发展。无论是在材料和工艺上，还是在3D 打印的硬件和软件上都有很快的发展。到目前为止，3D 打印已经成为材料成型的一个重要分支，与传统制造模式相比显示出了一定的优势。[9]目前，3D 打印产品越来越多地出现在工业产品中，而且已经在航空航天、汽车、国防工业、生物医学等重要领域得到了应用并取得了非常好的效果。[10]

当前，我国制造业正经历转型升级。随着数字化和信息化在工业中的广泛应用，3D 打印技术也获得了发展的良好契机。在中国制造努力实现从“制造业大国”向“制造业强国”转变的关键时期，大力地推动3D 打印的产业化发展进程有利于国家全面推进实现制造强国战略。[11]

在国家层面上，近年来，我国多部门相继推出3D 打印产业政策。2013 年，3D 打印技术被科技部发布的《国家高技术研究发展计划（863 计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》纳入其中，并设立了主要的技术研究方向，为3D 打印技术的发展提供了大力支持。2015 年，工业和信息化部、发展改革委和财政部发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015－2016 年）》，将3D 打印产业发展上升到国家战略层面，促进了3D 打印产业的健康有序发展。此后，国家分别从产业体系、技术创新与行业标准等多方面对3D 打印产业进行政策推动与规范。我国3D 打印产业核心区域集中在长三角、珠三角与环渤海等地区，江苏、广东、山东等领先省市不断推出区域发展规划与政策措施，推动全国3D 打印产业快速发展。

在社会需求上，3D 打印行业对人才的需求也非常旺盛。国家制造业信息化培训中心3D 办公室主任鲁君尚表示，目前我国有大量的3D 打印专业人才需求，3D 打印专业人才缺口在800 万左右。到目前为止，我国3D 打印方面的专业技术人才培养还相对薄弱。高等教育和专业培训在3D 打印技术方面存在的不足已经阻碍了3D 打印产业的健康、快速、可持续发展。[12]

目前高校在3D 打印方面的研究还没有与企业的需求紧密结合，部分学校教师对3D 打印技术的认知可能还处于初级阶段，打印设备也不能满足教育、培训需求。所以抓紧推广3D 打印专业教育，一方面可以促进3D 打印产业的健康、快速、可持续发展，另一方面可以为培养基础扎实、技术过硬的3D 打印人才提供坚实的基础。目前拥有3D 打印专业教育的高校还很少，但是拥有3D 打印设备的高校却比比皆是，加快在高校中推广3D 打印技术教育、培训和应用具有广泛的经济效益和社会效益。

二、3D 打印在传统材料成型专业教学升级中的应用

（一）3D 打印课程设置

增材制造技术及其设计思想对提高材料成型专业教学效果、培养符合专业和行业需求的人才具有重要作用。在传统材料成型专业教学过程中，有必要增加3D 打印相关课程。以长江大学材料成型与控制工程专业为例，此专业培养目标为培养德智体美劳全面发展、践行社会主义核心价值观的合格建设者和可靠接班人。具备良好的专业知识、专业技能、实践能力和创新意识，能够在石油装备、汽车等行业从事焊接、模具等材料成型及控制工程相关领域的工艺设计、产品设计、技术开发、生产组织和经营销售等工作的应用型高级工程技术人才。现在此专业的核心课程主要有材料科学基础、材料成型工艺、塑性成型技术、焊接工程技术及应用、冲压工艺及模具设计、焊接冶金学和高分子材料成型工艺及模具设计等。这些课程都是传统材料成型与控制工程专业的相关课程，侧重从事焊接、模具等工程技术人才的培养。目前材料成型与控制工程专业隶属于机械工程学院，与机械设计制造与自动化、过程装备与控制工程、机器人工程和工业设计等专业一同发展，其中机械设计制造与自动化和材料成型与控制工程专业获批国家一流本科专业建设点。然而，与机器人工程这一新建设专业相比，机器人工程受到学生更多的青睐。这一方面是受到当前国内就业形势的影响，另一方面还是由于传统材料成型专业相关课程对学生吸引力不足。

针对这一问题，一个可行的方法是根据本专业课程主要集中在焊接和模具方面的特点，开设如增材制造和智能制造相关的课程。增材制造技术课程需要从理论和实践两个方面进行教学。在理论教学方面首先应该整体介绍非金属材料和金属材料的增材制造技术，让学生对3D 打印技术有一个系统性的了解，例如非金属材料3D 打印常见问题、金属材料3D打印工艺参数对构件性能的影响等。在实践课程方面可以让学生了解3D 打印的过程，例如增材制造技术硬件、软件、模型设计与建立、产品研磨等内容。这对提高传统材料成型专业学生的知识结构，培养学生自主设计能力和实践动手能力有重要价值。目前长江大学机械学院购买了多台不同类型的3D 打印机，基本能够满足教学用途。增设3D 打印相关理论和实践课程既能提升学生理论知识应用能力，又不会给学校造成额外负担。

（二）3D 打印技术辅助其他课程的学习

除了在教学中引入3D 打印课程外，在传统材料成型专业教学中引入3D 打印技术辅助教学可以让学生感受到理论知识背后的实物，使学生更好地掌握所学的知识，进而提高学习的兴趣。在运用3D 打印模型教学时，能够让学生切实感受到所学的内容，增加学习的扎实程度，以及建立学生对本专业学习的信心。无论是什么科目，使用3D 打印模型作为学习辅助工具的一个显著好处是能够将相对枯燥的理论或数字模型用具体的实体模型替代，使学生更轻松地了解需要掌握的知识。利用3D 打印生产教具的成本也相对较低，教具的形式也可根据教学内容随时做出改变。[13]

下面以长江大学材料成型与控制工程专业的材料科学基础和冲压工艺及模具设计这两门核心课程为例，介绍3D 打印的辅助教学形式。

材料科学基础课程是长江大学材料成型与控制工程专业的一门重要基础课。它综合了金属、陶瓷、高分子等不同材料的共同理论基础，介绍了材料的成分、结构、性能以及制备工艺之间的相互关系。材料科学基础课程涉及的知识点非常丰富，学习难度也较大，因此许多学生要学好这门课程并不容易。例如，在晶体结构这一章中，典型的晶体结构、空间晶格比较简单，但是由于晶体结构为空间结构，对于初学材料科学基础的学生还是有很大难度，往往不能很好地掌握这部分知识。如果能够运用3D 打印技术将晶体模型打印出来供学生观察，运用不同颜色代表不同的原子团，就可以大大降低学生思考的难度，这样自然就可以大大提高学生的学习动机，取得更好的教学效果。

冲压工艺及模具设计课程是长江大学材料成型与控制工程专业的主干课程之一，这门课程对生产中常见冲压零件的冲压工艺和模具设计做了系统的介绍，课程包含了冲压成型基础知识与冲压设备等基本模具设计以及冲压工艺设计的相关内容。此课程有大量模具的工程图。学生在掌握此门课程时需要大量的时间理解模具的工作原理，也需要有较强的读图识图能力和空间想象能力。如果学生读图识图能力或空间想象能力较弱时，不仅不能理解模具的工作原理，还会逐渐失去对此门课程的学习兴趣。如果能运用3D 打印直接将模具按照合适的比例打印出来供学生参考，不仅不利于学生的学习和理解，而且可以更好地激发学生的学习兴趣。在理论学习的基础上还能让学生自行设计模具并打印出来，更能激发学生的创新能力，达到事半功倍的效果。