3D打印技术在高等教育中的应用研究及实践

陈 云

（安徽国防科技职业学院机械技术学院，安徽 六安237011）

0 引言

3D打印是一种以三维数字模型为基础，运用光敏树脂、粉末状金属、工程塑料或陶瓷等材料，通过逐层堆垒的方式来构造物体的技术，被称为引领“第三次工业革命”的关键技术之一，其广泛应用于航空航天、工业设计、军事武器、教育教学、医疗、建筑、娱乐等诸多领域。

1 3D打印工艺及特点

1.1 3D打印工艺

目前，3D打印主要有五种代表性工艺[1，2]，即粘合喷射、立体印刷、叠层实体制造、熔融沉积造型及选择性激光烧结，由于FDM（桌面级）成型工艺的成本低廉、安全环保、效率中等的特点，其在教育上应用较多。

1.2 3D打印特点[3]

1）应用广泛。3D打印可以应用于任何行业，只要这些行业需要模型和原形。

2）设计无约束。由于很少考虑制造工艺，3D打印让设计直接走向生产，任意复杂结构都可以制造出来，即“所想即所得”。

3）工序简化。3D打印不需要切削机床，不需要太多的人力，不需要复杂的工序，直接打印零件。

4）制造周期短。3D打印直接从三维数字模型得到实物，生产周期大大缩短。

5）复杂的一体成型构件制造。大而复杂的整体构件采用传统工艺（焊接、机械连接等）制造，成本高、效率低，而3D打印可以实现复杂整体构件的低成本、快速制造。

2 3D打印在高等教育中的应用研究

2.1 国内外研究状况

美国的《地平线报告》（2013年版）较为详细的介绍了3D打印技术，报告认为，该技术会在5年内普及；美国华盛顿大学的老师在设计课程中引入3D打印技术，由学生先设计作品后打印出原型，并在此基础上进行改进；意大利理论物理国际研究中心的Gaya Fior介绍了一个在数学中利用3D打印辅助教学的例子，该案例将等值曲面转变成3D模型，并打印出可用于课堂教学的实物模型[4]；英国先以21个学校为试点，将3D打印融入到数学、工程设计等课程中，探索3D打印技术的教学创新应用。

2013年10月，同济大学师生借助3D打印机打印出微型飞机，并成功进行了试飞；2016年首个“易尚3D创客教育整体解决方案（设备工具、课程教材、创新实验室、师资培训、技术服务和互动平台）”3D打印教育体系建成，填补了国内3D打印教育的空白；2017年，3D打印技术产业联盟、无限三维打印技术产业研究院、青岛高新区3D打印职业学校与德州职业技术学院、德州经济技术开发区签署协议，共同建设德州职业技术学院3D打印学院，国内首个3D打印学院将系统性地开展教学改革、技术服务等工作。

2.2 应用特点分析

从理论上来说，该技术无需模具和刀具就能快速构造任意形状的物体，3D打印流程为：首先利用UG等三维造型软件设计数字化模型，然后利用前处理软件对CAD数字模型进行分层处理，最后将前处理数据导入3D打印机，3D打印机将会根据设定的参数一层一层堆叠出实物，成型后的物理实体需要对其进行去除支撑、打磨、抛光、喷漆等工艺处理。

在教育领域，3D打印可以让“创意有形、思维可见”，将抽象的理论变成具体的实物模型，实现触觉教学，使教学更加生动；还可以直接将设计思想转化为“看得见、摸得着”的物理样机，不仅有利于教师及时发现图纸文档难以体现的细节问题，而且有助于学生进一步优化自己的设计。

虽然3D打印技术发展迅速，但仍存在一些弊端，例如：FDM成型工艺的精度不是太高；PLA成型材料的力学性能（强度、刚度等）不足，而且材料易受潮，受潮后易堵塞喷嘴，使支撑翘曲；后处理阶段需要较长时间对成型表面进行抛光、打磨等。

3 应用实例

3.1 个性化教具实物化

《机械设计基础》等课程理论性较强，对于学生的逻辑思维能力和空间想象能力要求较高，往往高职学生在学习过程中会产生强烈的排斥心理和厌学情绪。本文利用3D打印技术制作了直观、便携的凸轮机构教具，如图1所示。

图1 凸轮机构教具

该教具可以演示凸轮机构的基本组成，主要由凸轮、从动件和机架组成的高副传动机构，此种凸轮机构利用从动件自身重力使凸轮与从动件始终接触，即所谓的力锁合凸轮机构；摇动把手，凸轮转动，从动件上下往复运动，在凸轮转一周的过程中，从动件上升、停止、下降、停止，即“升→停→降→停”，很好地演示了凸轮机构的运动过程。

3.2 设计辅助

如图2（a）所示的电吹风数模，其手柄回收部位发生了干涉，属于隐形干涉，不易发现。根据3D打印样机的设计缺陷提出修改建议并反馈到设计建模环节，重新进行优化设计，立即在建模软件里修改相关结构尺寸，改进后的样机手柄可以回收到位，如图2（b）所示。

图2 改造前后电吹风造型

4 应用效果

由应用前后的对比可知：

（1）借助3D打印技术，能够将原本抽象的凸轮机构理论知识变成个性化的教具，可视化地展现在学生面前，实现触觉教学，以激发学生的学习兴趣，便于学生理解和吸收。

（2）传统机械设计类课程教学中，主要以单一的计算机绘图和文档计算为主，缺少实际制作过程，对于虚拟技术中不能察觉的细节问题很难被发现，使得三维设计软件的魅力大打折扣。有了3D打印技术，学生可以直接将设计思想转化为“看得见、摸得着”的物理样机，能够进一步修改、优化自己的设计，这对学生的动手能力、创新能力及创新思维的培养都有重要的促进作用。

5 结束语

增材制造（3D打印）产业发展行动计划（2017-2020）提出将推动“3D打印+创新教育”的应用，高职院校应抓住这一契机，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《中国制造2025》文件精神的指导下，将其融入教学的各个环节，如：实验实训、课堂教学、校企合作、技能大赛、创业等等。借助3D打印技术，可以创新课程的教学手段，将该技术与自制特定教具、设计评价及校企合作等方面联系起来。

随着3D打印技术的不断发展，未来其在高职教育领域的应用会越来越广泛，既能创新教学手段，为教学服务，提高教学质量，也可以吸引学生学习并掌握这项新技术，满足社会需求，适应时代发展。