3D打印在高校教學的應用研究

周博， 董麗媛

（天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

3D（3 Dimensions）打印其本質是快速制造技術，它是一種以數字模型為基礎，運用固體、液體塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層打印的方式來建造實物［1］。在一些發達城市，3D打印課程已經走進了中學校園。在課堂上，中學教師教學生用建模軟件設計出簡單的數字模型，并打印出來。整個從“無”到“有”的過程，激發了學生學習3D打印的興趣，并自主設計有創意、創新和個性化的模型。但是在高校，3D打印普及的力度就遠不如中學。

1 3D打印加工過程

3D打印加工過程按加工先后順序依次是：三維建模、分層處理和打印實體。

圖1 3D 打印加工過程流程圖

1）三維建模。通過計算機三維建模軟件（如：UG、SolidWorks、CATIA等）繪制CAD模型，或者用三維掃描儀掃描實體獲得點云數據，再將點云數據的重構，得到實體的CAD模型。

2）分層處理。將CAD模型導出STL格式，STL格式是用三角形面來近似實體的表面，三角形面越小其生成的表面分辨率越高［2］。將STL格式導入到分層軟件中進行分層處理。

3）打印實體。打印機通過讀取分層處理后文件中的橫截面信息，用逐步堆積的方法制造出一個實體。

2 3D打印在高校教學中的優勢

2.1 制作直觀的教學用具

教師在教學時，多使用語言和圖片講述教學內容，學生見不到實物，無法理解教師所講授的知識點。例如車刀，其尺寸小并且顏色單一，同學看不清結構，不宜于學習和理解，這樣教學質量就大打折扣。現在通過3D打印，就可以得到任意尺寸、材料和顏色的車刀，既美觀又直觀教學，彌補以前課堂教學看不懂、聽不明白的劣勢，如圖2所示。

圖2 實體刀具與打印刀具對比圖

2.2 調動學習積極性和培養創造力

這種新型的打印模式應用在教學中，能夠改變以往的教學形式，調動學習積極性，使學生發揮想象，制作越來越多富有創造力的物品。成倍增加的模型不僅幫助3D打印機廣泛應用在教育的目的，而且有助于學生了解該技術是怎么進行探討和發展的［3］。這樣學生從想象轉變成現實，增強學生設計成就感，逐漸地提高學生的創新創造能力。

2.3 激發學習興趣

3D打印是幫助學生將三維CAD模型快速變成實物的一種工具。它可以將學生的概念設計成為可能，給學生提供了真實的感受和近距離的接觸，學生們得到真實的實物后，發現設計當中的缺陷，相互討論得到改進和提升的方法，激發學生學習興趣，營造愉快的學習體驗。在設計汽車減速器時，由于工作繁瑣，學生很容易出現錯誤。設計完成后，發現不合理，則需重新設計，費時費力。如果事先用3D打印出減速器模型，發現其中的缺陷，就不必重新返工，既提高工作效率又激發學習興趣。

2.4 增加就業機會

3D打印是一項集光學工程、機械設計、計算機技術、控制技術、材料科學一體的技術等組成的綜合性技術［4］。3D打印是多學科交叉，學生要想學精3D打印，只學會一門三維建模軟件是遠遠不夠的，需學習多種相關學科的知識。國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016年）［5］中，明確規定了我國的發展目標和計劃，加快推進增材制造產業健康有序發展?？梢?，3D打印發展趨勢不容小覷，學生學習多元化知識，有利于增加就業機會。

3 結語

3D打印顛覆了傳統加工模式，前者是增材制造，而后者是“雕刻”制造，3D打印可以加工任何形狀的物品，不會因為物品的復雜程度增加成本。3D打印技術完美契合了工業4.0“智能工廠”、“智能生產”和“智能物流”的三大主題，成為眾多國家發展的重點［6］。3D打印應用在高校的教學中，可以制造教學用具，方便直觀教學，激發學生學習興趣，調動學習積極性，培養創新創造能力，學習多學科知識，增加就業機會。高校要跟隨工業前進的步伐，抓住這次機遇，開設有關3D打印的課程，除了教授理論知識外還要加強技能的學習，為國家培養高精尖的3D打印人才，從而推動整個增材制造產業發展。

［1］ 佚名.3D 打?。跡B/OL］.http：//baike.baidu.com/view/4117826.htm.

［2］ 佚名.stl格式［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/view/1670210.htm.

［3］ DUMOND D， GLASSNER S，HOLMES A， et al.Pay It Forward：Getting 3D Printers Into Schools ［C］//4th IEEE Integrated STEM Education Conference，2014：1-5.

［4］ 利普森，庫曼.3D打?。簭南胂蟮浆F實［M］.北京：中信出版社，2013.

［5］ 中華人民共和國工業和信息化部.國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016 年）［EB/OL］.2015-02-28.http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n12246780/16472572.html.

［6］ 森德勒.工業 4.0［M］.北京：機械工業出版社，2014.