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3D打印技术在高等教育中的应用

2019/09/27 阅读:

摘要:叙述了3D打印技术的原理、类型及特点,分析了3D打印技术在高等教育中的应用,如作为传统专业的融合,作为材料成型及控制工程专业的工艺方向,作为独立设置的3D打印专业,基于3D打印技术的辅助教学,以及在创新教学模式与方法方面的应用。其分析结果可供3D打印技术在教学应用中参考与借鉴。

关键词:3D打印技术;高等教育;辅助教学;教学模式

3D打印即增材制造的俗称,其核心就是把传统制造方法中的减材制造(如切削加工、激光切割等)、等材制造(如锻造、铸造等)变成材料增加型制造,它被称为颠覆传统制造技术的新技术。3D打印起源于上世纪八十年代中期,历经三十余年的迅猛发展,目前已广泛应用于机械、电子、医学、航空航天等领域,被誉为三次工业革命的关键技术。

13D打印技术原理

3D打印原理如图1所示,首先利用切片软件对零件的三维数字模型进行分层切片(图1(a)),每层厚度一般为0.1~0.2mm,得到各层截面的二维轮廓数据信息;成形头(喷嘴)通过控制系统按照这些二维轮廓数据进行喷涂粘结,分层制作各截面轮廓(图1(b));各层顺序叠加最后构成三维制件(图1(c))。

23D打印技术种类

[1](1)光固化立体成形SLA(StereoLithographyAppara-tus)用激光束使液态的光敏树脂(如环氧树脂、丙烯酸树脂等),液态光敏树脂发生聚合反应而快速固化,逐渐堆积成形为所需形状的技术。(2)叠层实体制造LOM(LaminatedObjectManufacturing)是将片层材料(如纸、塑料薄膜、金属箔等)单面涂覆一层热熔胶,通过热压装置使材料表面达到一定温度,片层之间黏合在一起。激光切割系统根据计算机所获得的零件分层轮廓数据,将片材切割出该层的内外轮廓,激光每加工完一层,工作台则下降相应层高,然后将新一层片材叠加在上面,如此逐层堆积成三维实物。(3)选择性激光烧结SLS(SelectiveLaserSintering)是使用激光束对粉状材料进行分层扫描烧结。计算机控制激光束,按截面轮廓数据信息,对制件的实心部分所在粉末进行扫描,当粉末的温度升至熔点时,粉末颗粒交界处熔化,使粉末相粘结,逐步得到各层轮廓而堆积成三维实体。(4)三维印刷成形法3DP(ThreeDimensionPrinting),采用粉末材料(陶瓷或金属粉末),通过喷头粘结剂(如硅胶)将零件截面“印刷”在材料粉末上面,粘结剂燃烧消失后,金属在高温下渗入之,使制件致密且强度高。(5)熔融沉积制造FDM(FusedDepositionModeling),也称为熔丝制造FFF(FusedFilamentFabrication)是在计算机的控制下,根据零件三维数字模型截面轮廓信息,驱动喷头及工作台沿X-Y平面方向做合成运动,使熔融的丝料涂覆并凝固在工作台基底上,从而完成相应截面层轮廓的涂覆,如此各层截面有序堆积,直至完成整个零件的堆积成形。FDM方式目前较多应用于实验室环境下的实践教学。用于FDM方式进行3D打印的材料主要是聚乳酸(PLA)。图2为本项目FDM打印的制品。

33D打印技术特点

第一,无需传统的加工机床和工模具,直接制造零件样品。其次,产品研发周期短、材料利用率高、制造成本低。第三,可实现多品种、小批量、定制式的生产模式。第四,“所想即所得”,从理论上来说,无论多么复杂的模型,只要能通过计算机三维软件设计出来,3D打印就能够打印出来。第五,集中体现了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控加工(CNC)、激光、新材料等学科的思想和方法,是先进制造技术的前沿。是材料科学、信息技术、机械工程、控制技术等多学科技术的集成,具有多学科领域交叉、知识密集的特点。

43D打印技术在高等教育中的应用

4.1与传统专业的融合

3D打印技术与传统等材制造技术如锻造、铸造等相融合[2],使传统的工匠技术焕发出时代的数字气息。3D打印技术能将三维计算机辅助设计(CAD)软件设计的模型,通过3D打印机及其控制软件快速地制作出实物零件,或直接制备出复杂的模具型腔,进而缩短了产品的研发周期,提高了产品质量及效益、降低生产成本。通过CAD/CAE/CAM软件,设计制作个性化的模具零件[3],使得学生即见即所得。对于铸造工艺来说,基于3D打印的铸造技术,不会存在边角余料的浪费,无需木模芯,制备周期短,由于能打印复杂的形状,使得铸造质量有更好的可控性。

4.2设置3D打印技术专业

国内高校目前将3D打印培养计划设置在材料成型及控制工程本科专业(3D打印培养方向)。随着社会对于3D打印专业技术人才需求的日益增加,专门设置3D打印专业并建立科学合理的专业教育体系与人才培养机制,已成为我国高校亟待研究的课题,国内高校特别是高职院校已经起步设置3D打印专业[4],并进行了人才培养体系的研究,在该专业人才培养方案、课程构建体系、师资队伍及实验室建设等方面积累了一些经验。围绕3D打印技术原理、增材制造工艺与装备、3D打印材料、计算机辅助设计及制造、建模技术(含逆向工程)、切片软件工程、三维数字测量技术等核心课程,来进行人才的理论与实践的培养。

4.3基于3D打印技术的辅助教学

由于3D打印技术能实现虚拟世界与现实世界物体的快速转换,即将计算机中的虚拟模型转化为现实零件,因而在建筑、机械、医学、艺术、考古等众多学科中均可通过3D打印制作相关的仿真模型。机械类专业的教学过程,可利用3D打印技术进行典型机械零件的制作,如轴承、减速器等,可将抽象的零件可视化,并使零件复杂装配可操作化,从而大大提高学习效果;建筑专业可以对所设计的建筑作品实现微缩打印,并对打印出的作品进行美学等评估;考古专业可以对古董或工艺品进行复原或修复,或者是对原物进行三维扫描,为其建立并保存三维数字模型。动漫设计专业可以将构思设计的动漫角色人物打印出来,实现角色的现实化,解决了长期以来传统加工无法满足动漫模型加工的难题。医学专业,可以打印出病毒、器官、骨骼等模型,为临床实践课提供可视化的教具或实体。如骨科临床教学实践中,由于实体标本来源有限,原来主要是结合X片、CT、磁共振成像(MRI)以及课本插图来讲解,即使是后来的多媒体、视频讲解,也都只是平面性质的讲解,缺乏立体直观感和可操作性,而用3D打印技术能制造出一定比例的实体模型,将二维的影像资料以三维实体模型展现出来,将各种解剖结构直观地展现给学生,极大地提高了临床教学效果。化学专业可以打印出分子的立体结构模型。汽车及航空航天专业,可以通过3D打印得出所设计的汽车或航空航天器的外观,对其进行美学评估、动力学分析或者是进行风洞实验等。

4.4创造先进教学模式与方法

第一,创客教育[5](MakerEducation)即基于创造的学习,以3D打印为创客平台构建起充满活力的创客空间,以激发学生的创新思维,培养其创造能力以及协同合作能力。第二,学生通过自己设计模型,个性化的模型打印教学环节,使学生“在做中学”,其学习知识内化,既提高了学习效率,也符合“以学生为中心”的先进教学理念。第三,基于STEM的创新能力培养[6]。STEM是Science(科学)、Tech-nology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学)四门学科的有机整合与多学科交融领域,STEM教育强调学生在纷杂的学习情境中获得设计、合作、复杂问题解决能力。毫无疑问,3D打印技术具备科学、技术、工程、数学特别是数学建模等特征,将成为STEM实践教育的有力工具。第四,高等教育教学已经从传统的框架式知识记忆模式发展为“基于问题为导向的教学模式(Problem-BasedLearn-ing,PBL)”,基于3D打印技术的PBL教学模式,极大地提高了教学效果及学生的动手能力。

5结束语

3D打印具有数字化、智能化的时代特征,不仅为传统专业带来活力,而且因为自身知识的综合性、系统性而终将成高等或高职教育的专业。3D打印技术除了直接应用于高等教育教学之外,还带来教学方式、教学内容、教学模式等方面的创新。

参考文献:

[1]王从军,刘洁,张李超,等.薄材叠层增材制造技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2012.

[2]杨青山,戴庆伟,喻祖建,等.3D打印技术在材控专业实践教学中的应用[J].中国冶金教育,2017(1):76-77.

[3]俞彦勤,刘辉,邹佳鹏.模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究[J].实验技术与管理,2019(3):210-213.

[4]邱海飞.3D打印专业教育人才培养体系研究[J].现代制造工程,2018(5):62-67.

[5]桂亮,金悦,赵卫军,等.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用[J].实验技术与管理,2016(10):181-184.

[6]吴永和,李若晨,王浩楠,等.基于STEM的大学生跨学科实践创新能力培养[J].现代远程教育研究,2018(5):77-85.

作者:俞彦勤 单位:华中科技大学

3D打印技术在高等教育中的应用

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