3D 打印在傳統(tǒng)材料成型專業(yè)教學(xué)升級(jí)中的應(yīng)用探索*

李銀銀 張錦洲 劉 倩

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 湖北荊州 434023；2.荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北荊州 434020）

3D 打印技術(shù)是一種根據(jù)計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字化模型快速制造或修復(fù)零件的先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療、航空、汽車、電子、食品等各個(gè)領(lǐng)域。[1]3D 打印與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，具有能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化零部件的快速成型、無須去除材料、無需專門的模具、可以加工復(fù)雜曲面、空腔和結(jié)構(gòu)等突出優(yōu)點(diǎn)。[2]

傳統(tǒng)加工技術(shù)典型的成型方法是減材制造。減材制造一般通過鑄造、鍛造等方法形成毛坯，然后通過車、銑、刨、磨合特種加工等形成零件，最后通過焊接、裝配等得到產(chǎn)品。與減少材料制造不同，增材制造直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)增材而生成各種形狀的產(chǎn)品。增材制造通過數(shù)字化模型將材料逐層堆疊形成所需的產(chǎn)品，無須生產(chǎn)專門的模具，因此大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低了成本。[3]

材料成型專業(yè)課程大部分都與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合，用來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。然而，由于高校課程與生產(chǎn)實(shí)踐的巨大差異，在課堂上很難建立起二者的聯(lián)系。此外，高校傳統(tǒng)的教學(xué)手段相對(duì)單一，生產(chǎn)實(shí)踐案例不能很好地引入到材料成型專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，這往往使學(xué)生的學(xué)習(xí)變得枯燥乏味，難以滿足新工科背景下材料成型專業(yè)的人才培養(yǎng)理念。[4]

再者，大部分省屬高校經(jīng)費(fèi)相對(duì)缺乏，學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，專業(yè)學(xué)習(xí)難度大，在缺乏足夠教學(xué)工具的情況下，學(xué)生很難完全理解需要掌握的知識(shí)，進(jìn)而逐漸失去對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

新工程背景下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上引入新的教學(xué)技術(shù)和手段，并與現(xiàn)有的教學(xué)方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，這樣一方面可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。[5-6]

運(yùn)用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料成型專業(yè)的教學(xué)升級(jí)，一方面可以讓學(xué)生掌握更多的材料成型相關(guān)技能，改善學(xué)生對(duì)材料成型專業(yè)和職業(yè)的態(tài)度；另一方面可以使教學(xué)更加形象生動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生更好地掌握所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力，同時(shí)也提高教師的興趣和參與度。[7]

一、3D 打印行業(yè)現(xiàn)狀

3D 打印，也稱為增材制造，是一種快速原型技術(shù)。[8]近幾十年來，3D 打印技術(shù)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。無論是在材料和工藝上，還是在3D 打印的硬件和軟件上都有很快的發(fā)展。到目前為止，3D 打印已經(jīng)成為材料成型的一個(gè)重要分支，與傳統(tǒng)制造模式相比顯示出了一定的優(yōu)勢(shì)。[9]目前，3D 打印產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)品中，而且已經(jīng)在航空航天、汽車、國(guó)防工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域得到了應(yīng)用并取得了非常好的效果。[10]

當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)正經(jīng)歷轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著數(shù)字化和信息化在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，3D 打印技術(shù)也獲得了發(fā)展的良好契機(jī)。在中國(guó)制造努力實(shí)現(xiàn)從“制造業(yè)大國(guó)”向“制造業(yè)強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，大力地推動(dòng)3D 打印的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程有利于國(guó)家全面推進(jìn)實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。[11]

在國(guó)家層面上，近年來，我國(guó)多部門相繼推出3D 打印產(chǎn)業(yè)政策。2013 年，3D 打印技術(shù)被科技部發(fā)布的《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）、國(guó)家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》納入其中，并設(shè)立了主要的技術(shù)研究方向，為3D 打印技術(shù)的發(fā)展提供了大力支持。2015 年，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和財(cái)政部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015－2016 年）》，將3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，促進(jìn)了3D 打印產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。此后，國(guó)家分別從產(chǎn)業(yè)體系、技術(shù)創(chuàng)新與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等多方面對(duì)3D 打印產(chǎn)業(yè)進(jìn)行政策推動(dòng)與規(guī)范。我國(guó)3D 打印產(chǎn)業(yè)核心區(qū)域集中在長(zhǎng)三角、珠三角與環(huán)渤海等地區(qū)，江蘇、廣東、山東等領(lǐng)先省市不斷推出區(qū)域發(fā)展規(guī)劃與政策措施，推動(dòng)全國(guó)3D 打印產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

在社會(huì)需求上，3D 打印行業(yè)對(duì)人才的需求也非常旺盛。國(guó)家制造業(yè)信息化培訓(xùn)中心3D 辦公室主任魯君尚表示，目前我國(guó)有大量的3D 打印專業(yè)人才需求，3D 打印專業(yè)人才缺口在800 萬(wàn)左右。到目前為止，我國(guó)3D 打印方面的專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)還相對(duì)薄弱。高等教育和專業(yè)培訓(xùn)在3D 打印技術(shù)方面存在的不足已經(jīng)阻礙了3D 打印產(chǎn)業(yè)的健康、快速、可持續(xù)發(fā)展。[12]

目前高校在3D 打印方面的研究還沒有與企業(yè)的需求緊密結(jié)合，部分學(xué)校教師對(duì)3D 打印技術(shù)的認(rèn)知可能還處于初級(jí)階段，打印設(shè)備也不能滿足教育、培訓(xùn)需求。所以抓緊推廣3D 打印專業(yè)教育，一方面可以促進(jìn)3D 打印產(chǎn)業(yè)的健康、快速、可持續(xù)發(fā)展，另一方面可以為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、技術(shù)過硬的3D 打印人才提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前擁有3D 打印專業(yè)教育的高校還很少，但是擁有3D 打印設(shè)備的高校卻比比皆是，加快在高校中推廣3D 打印技術(shù)教育、培訓(xùn)和應(yīng)用具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、3D 打印在傳統(tǒng)材料成型專業(yè)教學(xué)升級(jí)中的應(yīng)用

（一）3D 打印課程設(shè)置

增材制造技術(shù)及其設(shè)計(jì)思想對(duì)提高材料成型專業(yè)教學(xué)效果、培養(yǎng)符合專業(yè)和行業(yè)需求的人才具有重要作用。在傳統(tǒng)材料成型專業(yè)教學(xué)過程中，有必要增加3D 打印相關(guān)課程。以長(zhǎng)江大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)為例，此專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展、踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀的合格建設(shè)者和可靠接班人。具備良好的專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，能夠在石油裝備、汽車等行業(yè)從事焊接、模具等材料成型及控制工程相關(guān)領(lǐng)域的工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)組織和經(jīng)營(yíng)銷售等工作的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才?，F(xiàn)在此專業(yè)的核心課程主要有材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成型工藝、塑性成型技術(shù)、焊接工程技術(shù)及應(yīng)用、沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)、焊接冶金學(xué)和高分子材料成型工藝及模具設(shè)計(jì)等。這些課程都是傳統(tǒng)材料成型與控制工程專業(yè)的相關(guān)課程，側(cè)重從事焊接、模具等工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。目前材料成型與控制工程專業(yè)隸屬于機(jī)械工程學(xué)院，與機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化、過程裝備與控制工程、機(jī)器人工程和工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)一同發(fā)展，其中機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化和材料成型與控制工程專業(yè)獲批國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。然而，與機(jī)器人工程這一新建設(shè)專業(yè)相比，機(jī)器人工程受到學(xué)生更多的青睞。這一方面是受到當(dāng)前國(guó)內(nèi)就業(yè)形勢(shì)的影響，另一方面還是由于傳統(tǒng)材料成型專業(yè)相關(guān)課程對(duì)學(xué)生吸引力不足。

針對(duì)這一問題，一個(gè)可行的方法是根據(jù)本專業(yè)課程主要集中在焊接和模具方面的特點(diǎn)，開設(shè)如增材制造和智能制造相關(guān)的課程。增材制造技術(shù)課程需要從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)。在理論教學(xué)方面首先應(yīng)該整體介紹非金屬材料和金屬材料的增材制造技術(shù)，讓學(xué)生對(duì)3D 打印技術(shù)有一個(gè)系統(tǒng)性的了解，例如非金屬材料3D 打印常見問題、金屬材料3D打印工藝參數(shù)對(duì)構(gòu)件性能的影響等。在實(shí)踐課程方面可以讓學(xué)生了解3D 打印的過程，例如增材制造技術(shù)硬件、軟件、模型設(shè)計(jì)與建立、產(chǎn)品研磨等內(nèi)容。這對(duì)提高傳統(tǒng)材料成型專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力有重要價(jià)值。目前長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械學(xué)院購(gòu)買了多臺(tái)不同類型的3D 打印機(jī)，基本能夠滿足教學(xué)用途。增設(shè)3D 打印相關(guān)理論和實(shí)踐課程既能提升學(xué)生理論知識(shí)應(yīng)用能力，又不會(huì)給學(xué)校造成額外負(fù)擔(dān)。

（二）3D 打印技術(shù)輔助其他課程的學(xué)習(xí)

除了在教學(xué)中引入3D 打印課程外，在傳統(tǒng)材料成型專業(yè)教學(xué)中引入3D 打印技術(shù)輔助教學(xué)可以讓學(xué)生感受到理論知識(shí)背后的實(shí)物，使學(xué)生更好地掌握所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)的興趣。在運(yùn)用3D 打印模型教學(xué)時(shí)，能夠讓學(xué)生切實(shí)感受到所學(xué)的內(nèi)容，增加學(xué)習(xí)的扎實(shí)程度，以及建立學(xué)生對(duì)本專業(yè)學(xué)習(xí)的信心。無論是什么科目，使用3D 打印模型作為學(xué)習(xí)輔助工具的一個(gè)顯著好處是能夠?qū)⑾鄬?duì)枯燥的理論或數(shù)字模型用具體的實(shí)體模型替代，使學(xué)生更輕松地了解需要掌握的知識(shí)。利用3D 打印生產(chǎn)教具的成本也相對(duì)較低，教具的形式也可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容隨時(shí)做出改變。[13]

下面以長(zhǎng)江大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)的材料科學(xué)基礎(chǔ)和沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)這兩門核心課程為例，介紹3D 打印的輔助教學(xué)形式。

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是長(zhǎng)江大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。它綜合了金屬、陶瓷、高分子等不同材料的共同理論基礎(chǔ)，介紹了材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能以及制備工藝之間的相互關(guān)系。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程涉及的知識(shí)點(diǎn)非常豐富，學(xué)習(xí)難度也較大，因此許多學(xué)生要學(xué)好這門課程并不容易。例如，在晶體結(jié)構(gòu)這一章中，典型的晶體結(jié)構(gòu)、空間晶格比較簡(jiǎn)單，但是由于晶體結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于初學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生還是有很大難度，往往不能很好地掌握這部分知識(shí)。如果能夠運(yùn)用3D 打印技術(shù)將晶體模型打印出來供學(xué)生觀察，運(yùn)用不同顏色代表不同的原子團(tuán)，就可以大大降低學(xué)生思考的難度，這樣自然就可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，取得更好的教學(xué)效果。

沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課程是長(zhǎng)江大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)的主干課程之一，這門課程對(duì)生產(chǎn)中常見沖壓零件的沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)的介紹，課程包含了沖壓成型基礎(chǔ)知識(shí)與沖壓設(shè)備等基本模具設(shè)計(jì)以及沖壓工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。此課程有大量模具的工程圖。學(xué)生在掌握此門課程時(shí)需要大量的時(shí)間理解模具的工作原理，也需要有較強(qiáng)的讀圖識(shí)圖能力和空間想象能力。如果學(xué)生讀圖識(shí)圖能力或空間想象能力較弱時(shí)，不僅不能理解模具的工作原理，還會(huì)逐漸失去對(duì)此門課程的學(xué)習(xí)興趣。如果能運(yùn)用3D 打印直接將模具按照合適的比例打印出來供學(xué)生參考，不僅不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解，而且可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上還能讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)模具并打印出來，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到事半功倍的效果。

三、總結(jié)與展望

綜上所述，3D 打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。高等學(xué)校，尤其是傳統(tǒng)材料成型專業(yè)應(yīng)該重視3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)3D 打印行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，滿足新工科背景下材料成型專業(yè)的人才培養(yǎng)理念。

但是目前許多教師不能完全理解3D 打印工程思維習(xí)慣或設(shè)計(jì)思維，教師在3D 打印技術(shù)的使用和維護(hù)方面沒有得到足夠的指導(dǎo)。將來不僅應(yīng)該在學(xué)生中開設(shè)3D 打印的課程，也應(yīng)該增加教師相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)，以便教師能夠更好地將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到他們的教學(xué)之中。