3D打印在教学中的应用研究
牛一帆
（山东省济宁市技师学院，济宁 272000）
【摘要】3D打印是一种新型的快速成型技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由3D打印机将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。目前，该技术已在各个领域都得到了广泛的应用。对3D打印的技术原理、特点、发展，3D打印在教学中的应用及作用做了深层次的探讨。最后，针对3D打印在教学中的应用，提出了需进一步思考和解决的相关问题。
【关键词】3D打印；三维模型；逐层叠加；教学创新；创造力；个性化
【中图分类号】G42 【文献标识码】A
Research on Teaching Application of 3D Printing
NIU Yifan
(Jining College of Technician, Jining 272000, China)
Abstract: 3D printing technology is a new rapid prototyping technology that 3D model designed by computer is blueprint. 3D model is decomposed into several plane layers by software, then pulverous, liquid or filamentous metal, ceramic, plastic, cell tissue and other materials are overlain layer by layer by 3D printer, and eventually physical product is molded. At present, this technology has been widely applied in various fields. Technology principle, characteristics, development and application in teaching of 3D printing are deeply explored. Finally, related problems need to be further thought and solved to application of 3D printing in teaching are put forward.
Key words: 3D printing；3D model；overlying layer by layer；teaching innovation；creativity；personality
3D打印（Three Dimensions Printing）是一种新型的快速成型技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术[1]。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有高科技含量的综合性
本文参与课题项目：山东省济宁市技工教育和职业培训科研课题《高技能人才培养模式研究》，编号：RSJY-Z2014003。
应用技术。目前，该技术已广泛地应用于工业产品制造、医疗行业、建筑业、汽车制造业、航空航天、食品、军事等行业[2]。
随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用也受到了研究者的普遍关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。《地平线报告》是美国新媒体联盟与美国高校教育信息化协会合作发布的教育领域最有普及潜力的新技术报告。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了较为详细的介绍，报告的编纂者认为，该技术将会在四到五年内普及[3]。 一、3D打印的技术原理和发展现状 （一）3D打印的原理与特点 1. 3D打印技术原理
3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术。从3D打印的制作过程出发，可将其分为设计与打印两个阶段。 （1）设计阶段：3D建模
通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型[4]。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型[4]。 （2）打印阶段
在打印阶段，3D打印机对3D模型数据进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。目前，3D打印用到多种技术，最典型的有分层实体制造技术（LOM）、立体光刻技术（SL）、熔融挤出技术（FDM）和选择性激光烧结技术（SLS）四种。3D打印材料主要有尼龙材料、金属材料、石蜡材料、橡胶材料、生物材料、工程塑料、光敏树脂等[4]。
模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。
为了帮助普通用户更好地使用3D打印服务，已有一些公司推出了相关的网络服务和移动服务，并使用云计算技术，为用户提供便利的设计和打印服务。在未来社会制造的环境下，大批3D打印机将形成制造网络，并与互联网、物联网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时满足人们的各种需求。 2.特点与不足
与传统制造业的“减材制造技术”相反，3D打印遵从的是加法原则，即“逐层叠加”原则，不再需要传统的刀具、夹具和机床，能实现设计制造一体化，从而大幅降低了生产成本，缩短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，减少了对环境的影响。3D打印可以实现大规模的个性化生产，可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,成型产品的密度也更加均匀。可以实现首件的净型成形，大大减小了后期的辅助加工量，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度。另外，由于其制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。
3D打印技术目前也存在很多问题，比如某些行业缺乏宏观规划和引导、企业对技术研发投入不足、打印精度和打印速度不能满足需求等。 （二）3D打印技术的历史与现状
第一台商用3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和Cima M.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[4]。
经历二十多年的探索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品已经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，已开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低。3D打印的应用领域也在迅速扩张。此外，全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业，用户经过拍照、建模、打印三个阶段，就可以为自己制作一个三维头像。另外，微软Windows 8.1操作系统和Photoshop图像处理软件也已经开始支持3D打印功能。 二、3D打印在教学中的应用研究 （一）3D打印在教学中的具体应用 1.3D打印在各学科教学中的创新应用
3D打印技术作为一种通用的技术，可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育。下图1是数十个学科领域使用3D打印辅助教学的例子。
图1 3D打印在各学科教学中的应用案例
Fig. 1 Application case of 3D printing in each subject teaching
2.3D打印教学应用项目
目前，一些国家和组织已经开始重视3D打印在教育领域中的应用，并开始探索这方面的研究。英国教育部开展了一项为期一年的试验项目（2012.10-2013.9），以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新[5]。该项目与英国物理学会、全国数学教学创优中心（NCETM）和3D打印机厂商Makerbot合作，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”的理念下，为使用3D技术的学校提供良好的理论指导和技术支持。参与项目的学校定期报告试验情况，分享经验。
美国国防高级研究计划局（DARPA）制作实验和拓展（MENTOR）项目计划在美国高中推广3D打印机[6]。MENTOR项目旨在培养高中生的工程技术，培养学生一系列的技能，并激发他们对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，促进高中学龄的学生协作完成一系
列的设计和制作方案，以帮助他们解决在未来设计和工程方面的挑战。3D打印机在动手和动脑的学习中发挥着重要作用，将有助于MENTOR计划培养目标的实现。
意大利理论物理国际研究中心（ICTP）利用网上的免费工具将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物或者很酷的装饰品[7]。将数学公式制作成三维模型主要有下面几个步骤：首先，需要一个能够在三维空间中对数学曲面建模的可视化软件，该项目中使用了免费的K3DSurf软件，这是一个支持参数方程和等值曲面的绘制工具，自带了五十多个范例。之后选择了pseudo-Duplin等值曲面为数据源，这个模型不仅看起来比较有趣，还能获得较好的3D打印效果。确定模型对象后，还要调整好模型的分辨率，将生成的三维模型导出为OBJ格式文件。接下来需要对三维模型进行打印前的加工。使用Netfabb Basic软件检测并修复模型中的网格错误，再将其转化成3D打印软件最常用的STL格式。然后使用Ultimaker公司开发的Cura软件，将三维模型大小调整为适合打印的尺寸。由于大部分数学等值曲面都有弧形的底部和内凹的空缺部分，这里需要放置一个支架来保证模型在打印过程中不会坍塌。最后将文件发送到打印服务，并利用不同的材料（如金属或陶瓷）将文件打印出来。3D打印还可以为枯燥的数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和时尚相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。令人惊奇的是，一些数学曲面的形状和特性本来就特别适合于珠宝。例如，如下图2所示的实例不需要添加任何种类的挂环就可以作为吊挂的装饰物。
图2 打印前的3D结构（左）和打印出的实体模型（右）
Fig.2 3D structure before printing (the left figure) and printed physical model (the right figure)
我国上海市也将3D打印引入基础教育领域。静安区青少年活动中心创意梦工厂配置了3D打印机及配套的3D扫描仪[8]，定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的产品。