鹿芹芹 劉持棟 黃 斌 傅茂森 陳 強(qiáng)

（西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 陜西·西安 710072）

0 引言

2012年4 月出版的英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志，專題論述了當(dāng)今全球范圍內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷的第三次革命，其中對(duì)3D打印技術(shù)做了重點(diǎn)介紹。文章描述了3D打印技術(shù)的前景——這種新型的生產(chǎn)方式將推動(dòng)第三次工業(yè)革命。從此，3D打印技術(shù)開始進(jìn)入大眾視野。以3D打印為代表的數(shù)字化制造將根本轉(zhuǎn)變制造方式和職業(yè)模式，分散式大規(guī)模定制化制造將快速發(fā)展。制造業(yè)正往數(shù)字化的方向發(fā)展。這次革命不僅改變商業(yè)，還會(huì)改變除商業(yè)外的許多行業(yè)。過去的工廠是基于生產(chǎn)大量同一產(chǎn)品這一理念而運(yùn)作的。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)小批量多樣化的產(chǎn)品成本正在降低，這些產(chǎn)品可以按照顧客的奇思妙想來定制。未來的工廠將更關(guān)注個(gè)性化定制，3D打印發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。

1 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從各國(guó)戰(zhàn)略層面，德國(guó)政府提出工業(yè)4.0的戰(zhàn)略，想在網(wǎng)絡(luò)化定制化時(shí)代能與美國(guó)抗衡。美國(guó)提出再工業(yè)化戰(zhàn)略，美國(guó)計(jì)劃要把世界第一的世界制造業(yè)大國(guó)重新拿回去。再工業(yè)化戰(zhàn)略其中一個(gè)核心是提出“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”，以創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展。美國(guó)政府在做國(guó)家戰(zhàn)略調(diào)整時(shí)，選擇未來最重要的制造技術(shù)，第一個(gè)選出來的是3D打印技術(shù)。目前，頗具影響力的“America Makes”的初衷是通過3D打印技術(shù)提升美國(guó)制造業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力?！癆merica Makes”是由美國(guó)國(guó)防部、能源部、美國(guó)宇航局、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、商務(wù)部等5家政府部門，以及俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業(yè)、學(xué)校和非營(yíng)利性組織組成的聯(lián)合團(tuán)體共同出資建立。“America Makes”正在為增材制造領(lǐng)域的教育內(nèi)容建立存儲(chǔ)庫(kù)，并要求參與開發(fā)課程的教育工作者和行業(yè)專業(yè)人士提交相關(guān)可能的資源庫(kù)。內(nèi)容包括K-12、職業(yè)技術(shù)教育、社區(qū)學(xué)院、大學(xué)在內(nèi)的任何教育水平、在職培訓(xùn)等等。作為全球第一科技強(qiáng)國(guó)，3D打印或稱增材制造就發(fā)源于美國(guó)。目前，美國(guó)增材制造技術(shù)無論是在軍事，航空航天，醫(yī)療，工業(yè)還是在民用方面都走在世界前列。美國(guó)擁有最前沿的增材制造技術(shù)。中國(guó)制造2025是中國(guó)的強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，比肩與德國(guó)工業(yè)4.0，和美國(guó)再工業(yè)化戰(zhàn)略。在提出的五大建設(shè)工程里面，3D打印都發(fā)揮著重要的作用。

3D打印最重要的貢獻(xiàn)在于：它解放了設(shè)計(jì)師，使設(shè)計(jì)師可以自由設(shè)計(jì)，由此導(dǎo)致了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的發(fā)展，這才是3D打印推動(dòng)工業(yè)革命的真正的方式。所以3D打印推動(dòng)工業(yè)革命不是用取代式的，而是一種創(chuàng)造新世界的方式。西方對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)是很清楚的，2014年7月份美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)空間3D打印報(bào)告中明確提到：不要把3D打印看作是取代傳統(tǒng)制造技術(shù)的一種技術(shù)，而應(yīng)該看作是我們的整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能，由于有了增材制造技術(shù)之后，要整個(gè)發(fā)生革命性的變化，應(yīng)該這樣來看待和應(yīng)用3D打印。美國(guó)工業(yè)界都是這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)，首先有創(chuàng)新設(shè)計(jì)。所以3D打印技術(shù)發(fā)展方向一定要與創(chuàng)新技術(shù)密切結(jié)合，推動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的發(fā)展。

2 3D打印的應(yīng)用特點(diǎn)及課程目標(biāo)

基于整個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略層面的重視以及市場(chǎng)環(huán)境的需求，3D打印的實(shí)踐課程在全國(guó)各個(gè)高校得到了開展[1-5]。其主旨是將3D打印引入到教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生們創(chuàng)新及動(dòng)手能力。3D打印所涉及的領(lǐng)域很多，有利于在不同專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同的開設(shè)實(shí)踐課程。西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院開設(shè)了開放式的3D打印實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新課程。這門課程在學(xué)生們具備一些設(shè)計(jì)知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的去設(shè)計(jì)不同功能和形狀的產(chǎn)品，服務(wù)于不同領(lǐng)域與行業(yè)。在實(shí)操過程中，通過不斷迭代作品，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力實(shí)際的落地。經(jīng)歷數(shù)次迭代過程，該課程將增強(qiáng)學(xué)生們分析問題解決問題的能力。通過該課程的開設(shè)，要求學(xué)生達(dá)到以下的目標(biāo)：（1）了解3D打印技術(shù)在市場(chǎng)應(yīng)用中不同領(lǐng)域應(yīng)用的全貌，了解前沿的3D打印技術(shù)概況及技術(shù)特點(diǎn)。（2）掌握不同3D打印技術(shù)流程并靈活操作各類3D打印機(jī)，掌握正向建模實(shí)驗(yàn)，模型修復(fù)等方法。（3）通過PBL（Project Based Learning）項(xiàng)目式3D打印實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生們創(chuàng)新設(shè)計(jì)，作品迭代的能力，培養(yǎng)學(xué)生們的組織分工，協(xié)調(diào)合作和動(dòng)手實(shí)踐能力。

3 教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求

3.1 3D打印軟件及硬件學(xué)習(xí)模塊

目前工業(yè)上常用的3D設(shè)計(jì)軟件有ProE、Solidworks、UG、CATIA等。其中Solidworks軟件從屬于法國(guó)達(dá)索公司，軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，易學(xué)易用，技術(shù)創(chuàng)新。這使得SW成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案，主要用于零件、裝配領(lǐng)域。UG軟件最早應(yīng)用于美國(guó)麥道飛機(jī)公司和通用汽車公司，所以在汽車建模飛機(jī)建模方面，UG軟件比較強(qiáng)大。CATIA系列產(chǎn)品在八大領(lǐng)域里提供3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)（主要是鋼構(gòu)廠房）、建筑、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。另外，偏向藝術(shù)造型的設(shè)計(jì)軟件如3D MAX、Maya、Rhino等也應(yīng)用很廣泛。針對(duì)本校特點(diǎn)，主要應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件為Solidworks，UG和CATIA。根據(jù)不同專業(yè)的學(xué)生背景，自由選擇。實(shí)驗(yàn)室配有雙/單噴頭熔融沉積3D打印機(jī)、高溫熔融沉積3D打印機(jī)、上拉式光固化3D打印機(jī)、下沉式光固化陶瓷3D打印機(jī)等多種款式打印機(jī)。因此，硬件學(xué)習(xí)主要包括熔融沉積和光固化3D打印機(jī)打印軟件學(xué)習(xí)以及設(shè)備操作及維護(hù)方面等。

3.2 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)及實(shí)操模塊

PBL項(xiàng)目式教學(xué)模塊類似于“創(chuàng)客空間”。首先，需要提出問題，并對(duì)問題進(jìn)行調(diào)研、采訪、整理數(shù)據(jù)資源；然后，與團(tuán)隊(duì)成員自主判斷、提問思考、頭腦風(fēng)暴、持續(xù)探究討論可行方案；結(jié)合團(tuán)隊(duì)成員在自我管理、自主規(guī)劃、反思討論中制作實(shí)現(xiàn)方案等過程，最后做出成品。據(jù)此，細(xì)化后分為以下幾個(gè)步驟。第一步：個(gè)人提出想法。每位學(xué)生提出自己在生活或?qū)W習(xí)中遇到的可以用3D打印解決的問題，或一個(gè)創(chuàng)新的想法，供大家交流討論。第二項(xiàng)：選題。根據(jù)提煉出的選題，進(jìn)行溝通交流，自主選擇感興趣的題目，討論和篩選項(xiàng)目，并進(jìn)行組隊(duì)，2-3人一組，每組選擇一個(gè)隊(duì)長(zhǎng)。第三項(xiàng)：立項(xiàng)。分組選題完成后，每個(gè)小組進(jìn)一步討論自己的項(xiàng)目，進(jìn)行項(xiàng)目定型。確定初步構(gòu)思并立項(xiàng)。第四項(xiàng)：設(shè)計(jì)制作。包括設(shè)計(jì)畫圖，使用打印機(jī)打印，必要的可以采購(gòu)需要的元器件零部件。在制作及打印過程中，遇到的問題與教師一起討論解決，整個(gè)過程和環(huán)節(jié)由學(xué)生記錄下來，作為項(xiàng)目制作書的參考內(nèi)容。第五項(xiàng)：作品迭代。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般很難一次直接完成理想作品。針對(duì)遇到的問題，需要無數(shù)次迭代。第六項(xiàng)：項(xiàng)目期中分享。每組進(jìn)行項(xiàng)目中期匯報(bào)和分享。包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容和進(jìn)度，制作過程中遇到的問題以及如何解決問題，并分享尚未解決的問題，集思廣益，并分享接下來的項(xiàng)目計(jì)劃。共性的問題大家集中討論。第七項(xiàng)：完成項(xiàng)目，項(xiàng)目期末匯報(bào)。每組上臺(tái)分享自己的項(xiàng)目成果，項(xiàng)目歷程，以及優(yōu)缺點(diǎn)，最終交付項(xiàng)目實(shí)踐書，教師輔助總結(jié)。

4 教學(xué)成果

該課程的開設(shè)，極大點(diǎn)燃了學(xué)生們創(chuàng)作的熱情。不同專業(yè)的學(xué)生各自發(fā)揮所長(zhǎng)，一起組隊(duì)，經(jīng)過建?！?D打印→試錯(cuò)→迭代等步驟，實(shí)現(xiàn)了早期作品的制作。圖1（a）為一款造浪機(jī)，1（b）為3D打印遙控小車，1（c）為陀飛輪，1（d）為半導(dǎo)體制冷小冰箱。學(xué)生在制作作品的過程中，經(jīng)歷了眼高手低制作失敗，歷次迭代，打怪升級(jí)等一般過程。當(dāng)最終作品呈現(xiàn)時(shí)，學(xué)生們均表示體驗(yàn)到一種成就感。

圖1：3D打印作品。(a)3D打印造浪機(jī)；(b)3D打印遙控小車；(c)3D打印陀飛輪；(d)3D打印半導(dǎo)體制冷小冰箱

5 結(jié)束語

3D打印技術(shù)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的完美結(jié)合，已經(jīng)在市場(chǎng)各個(gè)領(lǐng)域陸續(xù)開花結(jié)果。在教育領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用尚處在摸索階段。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程讓學(xué)生們體驗(yàn)整個(gè)制作過程，引起了巨大反響。這主要是因?yàn)椋瑢W(xué)生們通過自己動(dòng)手，體驗(yàn)了創(chuàng)作的快樂，體驗(yàn)到迭代的辛苦，體驗(yàn)到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)全局把控的難度。學(xué)生們切身的經(jīng)歷更容易印在腦海里。這讓他們對(duì)3D打印的技術(shù)特征理解的更透徹。后期計(jì)劃加入改進(jìn)材料性能，引入金屬打印，不僅是制作觀賞性或有趣的小作品，向真正解決實(shí)際問題，提高產(chǎn)品性能的方向進(jìn)發(fā)，這需要有足夠課時(shí)的支撐，更多專業(yè)教師的加入指導(dǎo)。3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革還會(huì)一直進(jìn)行下去，方式會(huì)更加多樣化。3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展給學(xué)生們提供了實(shí)踐創(chuàng)新的平臺(tái)，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。