3D打印技術在高等教育中的應用研究及實踐

陳 云

（安徽國防科技職業學院機械技術學院，安徽 六安237011）

0 引言

3D打印是一種以三維數字模型為基礎，運用光敏樹脂、粉末狀金屬、工程塑料或陶瓷等材料，通過逐層堆壘的方式來構造物體的技術，被稱為引領“第三次工業革命”的關鍵技術之一，其廣泛應用于航空航天、工業設計、軍事武器、教育教學、醫療、建筑、娛樂等諸多領域。

1 3D打印工藝及特點

1.1 3D打印工藝

目前，3D打印主要有五種代表性工藝[1，2]，即粘合噴射、立體印刷、疊層實體制造、熔融沉積造型及選擇性激光燒結，由于FDM（桌面級）成型工藝的成本低廉、安全環保、效率中等的特點，其在教育上應用較多。

1.2 3D打印特點[3]

1）應用廣泛。3D打印可以應用于任何行業，只要這些行業需要模型和原形。

2）設計無約束。由于很少考慮制造工藝，3D打印讓設計直接走向生產，任意復雜結構都可以制造出來，即“所想即所得”。

3）工序簡化。3D打印不需要切削機床，不需要太多的人力，不需要復雜的工序，直接打印零件。

4）制造周期短。3D打印直接從三維數字模型得到實物，生產周期大大縮短。

5）復雜的一體成型構件制造。大而復雜的整體構件采用傳統工藝（焊接、機械連接等）制造，成本高、效率低，而3D打印可以實現復雜整體構件的低成本、快速制造。

2 3D打印在高等教育中的應用研究

2.1 國內外研究狀況

美國的《地平線報告》（2013年版）較為詳細的介紹了3D打印技術，報告認為，該技術會在5年內普及；美國華盛頓大學的老師在設計課程中引入3D打印技術，由學生先設計作品后打印出原型，并在此基礎上進行改進；意大利理論物理國際研究中心的Gaya Fior介紹了一個在數學中利用3D打印輔助教學的例子，該案例將等值曲面轉變成3D模型，并打印出可用于課堂教學的實物模型[4]；英國先以21個學校為試點，將3D打印融入到數學、工程設計等課程中，探索3D打印技術的教學創新應用。

2013年10月，同濟大學師生借助3D打印機打印出微型飛機，并成功進行了試飛；2016年首個“易尚3D創客教育整體解決方案（設備工具、課程教材、創新實驗室、師資培訓、技術服務和互動平臺）”3D打印教育體系建成，填補了國內3D打印教育的空白；2017年，3D打印技術產業聯盟、無限三維打印技術產業研究院、青島高新區3D打印職業學校與德州職業技術學院、德州經濟技術開發區簽署協議，共同建設德州職業技術學院3D打印學院，國內首個3D打印學院將系統性地開展教學改革、技術服務等工作。

2.2 應用特點分析

從理論上來說，該技術無需模具和刀具就能快速構造任意形狀的物體，3D打印流程為：首先利用UG等三維造型軟件設計數字化模型，然后利用前處理軟件對CAD數字模型進行分層處理，最后將前處理數據導入3D打印機，3D打印機將會根據設定的參數一層一層堆疊出實物，成型后的物理實體需要對其進行去除支撐、打磨、拋光、噴漆等工藝處理。

在教育領域，3D打印可以讓“創意有形、思維可見”，將抽象的理論變成具體的實物模型，實現觸覺教學，使教學更加生動；還可以直接將設計思想轉化為“看得見、摸得著”的物理樣機，不僅有利于教師及時發現圖紙文檔難以體現的細節問題，而且有助于學生進一步優化自己的設計。

雖然3D打印技術發展迅速，但仍存在一些弊端，例如：FDM成型工藝的精度不是太高；PLA成型材料的力學性能（強度、剛度等）不足，而且材料易受潮，受潮后易堵塞噴嘴，使支撐翹曲；后處理階段需要較長時間對成型表面進行拋光、打磨等。

3 應用實例

3.1 個性化教具實物化

《機械設計基礎》等課程理論性較強，對于學生的邏輯思維能力和空間想象能力要求較高，往往高職學生在學習過程中會產生強烈的排斥心理和厭學情緒。本文利用3D打印技術制作了直觀、便攜的凸輪機構教具，如圖1所示。

圖1 凸輪機構教具

該教具可以演示凸輪機構的基本組成，主要由凸輪、從動件和機架組成的高副傳動機構，此種凸輪機構利用從動件自身重力使凸輪與從動件始終接觸，即所謂的力鎖合凸輪機構；搖動把手，凸輪轉動，從動件上下往復運動，在凸輪轉一周的過程中，從動件上升、停止、下降、停止，即“升→停→降→停”，很好地演示了凸輪機構的運動過程。

3.2 設計輔助

如圖2（a）所示的電吹風數模，其手柄回收部位發生了干涉，屬于隱形干涉，不易發現。根據3D打印樣機的設計缺陷提出修改建議并反饋到設計建模環節，重新進行優化設計，立即在建模軟件里修改相關結構尺寸，改進后的樣機手柄可以回收到位，如圖2（b）所示。

圖2 改造前后電吹風造型

4 應用效果

由應用前后的對比可知：

（1）借助3D打印技術，能夠將原本抽象的凸輪機構理論知識變成個性化的教具，可視化地展現在學生面前，實現觸覺教學，以激發學生的學習興趣，便于學生理解和吸收。

（2）傳統機械設計類課程教學中，主要以單一的計算機繪圖和文檔計算為主，缺少實際制作過程，對于虛擬技術中不能察覺的細節問題很難被發現，使得三維設計軟件的魅力大打折扣。有了3D打印技術，學生可以直接將設計思想轉化為“看得見、摸得著”的物理樣機，能夠進一步修改、優化自己的設計，這對學生的動手能力、創新能力及創新思維的培養都有重要的促進作用。

5 結束語

增材制造（3D打印）產業發展行動計劃（2017-2020）提出將推動“3D打印+創新教育”的應用，高職院校應抓住這一契機，在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《中國制造2025》文件精神的指導下，將其融入教學的各個環節，如：實驗實訓、課堂教學、校企合作、技能大賽、創業等等。借助3D打印技術，可以創新課程的教學手段，將該技術與自制特定教具、設計評價及校企合作等方面聯系起來。

隨著3D打印技術的不斷發展，未來其在高職教育領域的應用會越來越廣泛，既能創新教學手段，為教學服務，提高教學質量，也可以吸引學生學習并掌握這項新技術，滿足社會需求，適應時代發展。