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摘要：敘述了3d打印技術的原理、類型及特點，分析了3D打印技術在高等教育中的應用，如作為傳統專業的融合,作為材料成型及控制工程專業的工藝方向，作為獨立設置的3D打印專業，基于3D打印技術的輔助教學，以及在創新教學模式與方法方面的應用。其分析結果可供3D打印技術在教學應用中參考與借鑒。

關鍵詞：3D打印技術；高等教育；輔助教學；教學模式

3D打印即增材制造的俗稱，其核心就是把傳統制造方法中的減材制造（如切削加工、激光切割等）、等材制造（如鍛造、鑄造等）變成材料增加型制造，它被稱為顛覆傳統制造技術的新技術。3D打印起源于上世紀八十年代中期，歷經三十余年的迅猛發展，目前已廣泛應用于機械、電子、醫學、航空航天等領域，被譽為三次工業革命的關鍵技術。

13D打印技術原理

3D打印原理如圖1所示，首先利用切片軟件對零件的三維數字模型進行分層切片（圖1（a）），每層厚度一般為0.1~0.2mm，得到各層截面的二維輪廓數據信息；成形頭（噴嘴）通過控制系統按照這些二維輪廓數據進行噴涂粘結，分層制作各截面輪廓（圖1（b））；各層順序疊加最后構成三維制件（圖1（c））。

23D打印技術種類

[1]（1）光固化立體成形SLA（StereoLithographyAppara－tus）用激光束使液態的光敏樹脂（如環氧樹脂、丙烯酸樹脂等），液態光敏樹脂發生聚合反應而快速固化，逐漸堆積成形為所需形狀的技術。（2）疊層實體制造LOM（LaminatedObjectManufacturing）是將片層材料（如紙、塑料薄膜、金屬箔等）單面涂覆一層熱熔膠，通過熱壓裝置使材料表面達到一定溫度，片層之間黏合在一起。激光切割系統根據計算機所獲得的零件分層輪廓數據，將片材切割出該層的內外輪廓，激光每加工完一層，工作臺則下降相應層高，然后將新一層片材疊加在上面，如此逐層堆積成三維實物。（3）選擇性激光燒結SLS（SelectiveLaserSintering）是使用激光束對粉狀材料進行分層掃描燒結。計算機控制激光束，按截面輪廓數據信息，對制件的實心部分所在粉末進行掃描，當粉末的溫度升至熔點時，粉末顆粒交界處熔化，使粉末相粘結，逐步得到各層輪廓而堆積成三維實體。（4）三維印刷成形法3DP（ThreeDimensionPrinting），采用粉末材料（陶瓷或金屬粉末），通過噴頭粘結劑（如硅膠）將零件截面“印刷”在材料粉末上面，粘結劑燃燒消失后，金屬在高溫下滲入之，使制件致密且強度高。（5）熔融沉積制造FDM（FusedDepositionModeling），也稱為熔絲制造FFF（FusedFilamentFabrication）是在計算機的控制下，根據零件三維數字模型截面輪廓信息，驅動噴頭及工作臺沿X-Y平面方向做合成運動，使熔融的絲料涂覆并凝固在工作臺基底上，從而完成相應截面層輪廓的涂覆，如此各層截面有序堆積，直至完成整個零件的堆積成形。FDM方式目前較多應用于實驗室環境下的實踐教學。用于FDM方式進行3D打印的材料主要是聚乳酸（PLA）。圖2為本項目FDM打印的制品。

33D打印技術特點

第一，無需傳統的加工機床和工模具，直接制造零件樣品。其次，產品研發周期短、材料利用率高、制造成本低。第三，可實現多品種、小批量、定制式的生產模式。第四，“所想即所得”，從理論上來說，無論多么復雜的模型，只要能通過計算機三維軟件設計出來，3D打印就能夠打印出來。第五，集中體現了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數控加工（CNC）、激光、新材料等學科的思想和方法，是先進制造技術的前沿。是材料科學、信息技術、機械工程、控制技術等多學科技術的集成，具有多學科領域交叉、知識密集的特點。

43D打印技術在高等教育中的應用

4.1與傳統專業的融合

3D打印技術與傳統等材制造技術如鍛造、鑄造等相融合[2]，使傳統的工匠技術煥發出時代的數字氣息。3D打印技術能將三維計算機輔助設計（CAD）軟件設計的模型，通過3D打印機及其控制軟件快速地制作出實物零件，或直接制備出復雜的模具型腔，進而縮短了產品的研發周期，提高了產品質量及效益、降低生產成本。通過CAD/CAE/CAM軟件，設計制作個性化的模具零件[3]，使得學生即見即所得。對于鑄造工藝來說，基于3D打印的鑄造技術，不會存在邊角余料的浪費，無需木模芯，制備周期短，由于能打印復雜的形狀，使得鑄造質量有更好的可控性。

4.2設置3D打印技術專業

國內高校目前將3D打印培養計劃設置在材料成型及控制工程本科專業（3D打印培養方向）。隨著社會對于3D打印專業技術人才需求的日益增加，專門設置3D打印專業并建立科學合理的專業教育體系與人才培養機制，已成為我國高校亟待研究的課題，國內高校特別是高職院校已經起步設置3D打印專業[4]，并進行了人才培養體系的研究，在該專業人才培養方案、課程構建體系、師資隊伍及實驗室建設等方面積累了一些經驗。圍繞3D打印技術原理、增材制造工藝與裝備、3D打印材料、計算機輔助設計及制造、建模技術（含逆向工程）、切片軟件工程、三維數字測量技術等核心課程，來進行人才的理論與實踐的培養。

4.3基于3D打印技術的輔助教學

由于3D打印技術能實現虛擬世界與現實世界物體的快速轉換，即將計算機中的虛擬模型轉化為現實零件，因而在建筑、機械、醫學、藝術、考古等眾多學科中均可通過3D打印制作相關的仿真模型。機械類專業的教學過程，可利用3D打印技術進行典型機械零件的制作，如軸承、減速器等，可將抽象的零件可視化，并使零件復雜裝配可操作化，從而大大提高學習效果；建筑專業可以對所設計的建筑作品實現微縮打印，并對打印出的作品進行美學等評估；考古專業可以對古董或工藝品進行復原或修復，或者是對原物進行三維掃描，為其建立并保存三維數字模型。動漫設計專業可以將構思設計的動漫角色人物打印出來，實現角色的現實化，解決了長期以來傳統加工無法滿足動漫模型加工的難題。醫學專業，可以打印出病毒、器官、骨骼等模型，為臨床實踐課提供可視化的教具或實體。如骨科臨床教學實踐中，由于實體標本來源有限，原來主要是結合X片、CT、磁共振成像（MRI）以及課本插圖來講解，即使是后來的多媒體、視頻講解，也都只是平面性質的講解，缺乏立體直觀感和可操作性，而用3D打印技術能制造出一定比例的實體模型，將二維的影像資料以三維實體模型展現出來，將各種解剖結構直觀地展現給學生，極大地提高了臨床教學效果。化學專業可以打印出分子的立體結構模型。汽車及航空航天專業，可以通過3D打印得出所設計的汽車或航空航天器的外觀，對其進行美學評估、動力學分析或者是進行風洞實驗等。

4.4創造先進教學模式與方法

第一，創客教育[5]（MakerEducation）即基于創造的學習，以3D打印為創客平臺構建起充滿活力的創客空間，以激發學生的創新思維，培養其創造能力以及協同合作能力。第二，學生通過自己設計模型，個性化的模型打印教學環節，使學生“在做中學”，其學習知識內化，既提高了學習效率，也符合“以學生為中心”的先進教學理念。第三，基于STEM的創新能力培養[6]。STEM是Science（科學）、Tech－nology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學）四門學科的有機整合與多學科交融領域，STEM教育強調學生在紛雜的學習情境中獲得設計、合作、復雜問題解決能力。毫無疑問，3D打印技術具備科學、技術、工程、數學特別是數學建模等特征，將成為STEM實踐教育的有力工具。第四，高等教育教學已經從傳統的框架式知識記憶模式發展為“基于問題為導向的教學模式（Problem-BasedLearn－ing，PBL）”，基于3D打印技術的PBL教學模式，極大地提高了教學效果及學生的動手能力。

5結束語

3D打印具有數字化、智能化的時代特征，不僅為傳統專業帶來活力，而且因為自身知識的綜合性、系統性而終將成高等或高職教育的專業。3D打印技術除了直接應用于高等教育教學之外，還帶來教學方式、教學內容、教學模式等方面的創新。

參考文獻：

[1]王從軍，劉潔，張李超，等．薄材疊層增材制造技術[M]．武漢：華中科技大學出版社，2012．

[2]楊青山，戴慶偉，喻祖建，等.3D打印技術在材控專業實踐教學中的應用[J].中國冶金教育，2017（1）：76-77.

[3]俞彥勤，劉輝，鄒佳鵬.模具CAD/CAE/CAM一體化教學實驗研究[J].實驗技術與管理，2019（3）：210-213.

[4]邱海飛．3D打印專業教育人才培養體系研究[J].現代制造工程，2018（5）：62-67.

[5]桂亮，金悅，趙衛軍，等.3D打印技術在創客實踐教學環節中的應用[J].實驗技術與管理，2016（10）：181-184.

[6]吳永和，李若晨，王浩楠，等.基于STEM的大學生跨學科實踐創新能力培養[J].現代遠程教育研究，2018（5）：77-85.

作者：俞彥勤 單位：華中科技大學