3D打印讓課堂更精彩

摘 "要：3D打印是一項顛覆傳統生產方式的革命性技術，被譽為繼蒸汽機、電腦、互聯網后又一項偉大的發明。本文介紹了3D打印的基本概念、與傳統制造業相比的優勢、在未來課堂中的應用及國內外一些應用實例。3D打印技術將是未來課堂不可或缺的組成部分。

關鍵詞：3D打印;未來課堂;

中圖分類號：G623.5 " " "文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-3520（2014）-11-00-02

一、前言

教育技術與新技術的發展關系非常密切，對新技術在教育中的應用非常敏感。課堂教學中盡可能使學生接觸最新的科學技術，增強學生適應社會發展和科技進步的要求。這就要求“現代教育技術”實驗教學用的設備在有效生命周期內及時進行更新換代。3D打印是一項顛覆傳統生產方式的革命性技術，被譽為繼蒸汽機、電腦、互聯網后又一項偉大的發明。3D打印技術對于教育的重要價值之一，在于它能夠對于難以獲得的對象進行更真實可靠的探索機會，而這樣的機會對學生來說可能非常難得。將3D打印技術引入課堂教學用來培養學生的創造力和激勵對知識的探究，是高新技術在課堂教學應用的探索和實踐。3D打印技術將成為未來課堂不可或缺的組成部分。

二、3D打印技術簡介

3D打印技術也叫增材制造技術或激光快速成型（LRP），原理是將計算機設計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。

堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機使用“噴墨”的方式。使用打印機噴頭將一層極薄的液態塑料物質噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。另外一種叫做“熔積成型”的技術，整個流程是在噴頭內熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。還有一些系統使用粉末微粒作為打印介質。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態粘合劑進行固化。如今可用于打印的介質種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。有些打印機還能結合不同介質，令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟。

三、與傳統制造技術相比3D打印技術具有以下優勢

優勢1：制造復雜物品不增加成本。就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。制造復雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，并改變我們計算制造成本的方式。

優勢2：產品多樣化不增加成本。一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統的制造設備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料。

優勢3：無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統的大規模生產建立在組裝線基礎上，在現代工廠，機器生產出相同的零部件，然后由機器人或工人組裝。產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。

優勢4：零時間交付。3D打印機可以按需打印。即時生產減少了企業的實物庫存，企業可以根據客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產品滿足客戶需求，所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。

優勢5：設計空間無限。傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

優勢6：零技能制造。傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，然而傳統的制造機器仍然需要熟練的專業人員進行機器調整和校準。3D打印機從設計文件里獲得各種指示，做同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能制造開辟了新的商業模式，并能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。

優勢7：不占空間、便攜制造。就單位生產空間而言，與傳統制造機器相比，3D打印機的制造能力更強。例如，注塑機只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機可以制造和其打印臺一樣大的物品。3D打印機調試好后，打印設備可以自由移動，打印機可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產能力使得3D打印機適合家用或辦公使用，因為它們所需的物理空間小。

優勢8：減少廢棄副產品。與傳統的金屬制造技術相比，3D打印機制造金屬時產生較少的副產品。傳統金屬加工的浪費量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環保的加工方式。

優勢9：材料無限組合。對當今的制造機器而言，將不同原材料結合成單一產品是件難事，因為傳統的制造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術的發展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調種類繁多，具有獨特的屬性或功能。

優勢10：精確的實體復制。數字音樂文件可以被無休止地復制，音頻質量并不會下降。未來，3D打印將數字精度擴展到實體世界。掃描技術和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復制實體對象，創建精確的副本或優化原件。

四、3D打印技術在未來課堂中的應用

那么3D打印技術如何應用到未來課堂呢，關鍵在于通過3D打印技術可以將電腦里的虛擬物品轉化成現實中的真實物品，并把它交給學生，讓學生可以在現實中更直觀的觀察、研究。因此，通過3D打印技術顯著的縮小了現實和虛擬之間的距離，當你需要什么東西的時候，打開電腦，找到它的虛擬模型，然后通過打印把它變成現實。

（一）3D打印技術可以通過以下方式應用到未來課堂。學習工程設計的學生可以用它打印出自己設計的原型產品，通過實物觀察所設計的產品是否能滿足外觀和性能設計要求。學習建筑工程的學生可以用它方便的打印出自己設計的建筑實體模型，這種方法快速、低廉、環保，同時制作精美，既合乎設計者的要求，又能節省大量材料。學習考古學的學生可以用它來復制有考古意義的物品，方便進一步的觀察，用3D打印替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時復制品也能將藝術或文物影響更多更遠的人。學習平面設計的學生可以用它來制作3D版本的藝術品。學習地理學的學生可以用它來繪制真實的地勢圖，人口分布圖。學習食品加工的學生可以用它設計食物的產品造型。學習車輛工程的學生可以打印各種各樣的實體汽車部件，便于測試。學習化學的學生可以把分子模型打印出來觀察。學習生物學的學生可以打印出細胞、病毒、器官，和其他重要的生物樣本。學習電路設計的學生可以將他們的電路板打印出來，并在他們自己的學習空間中尋找答案……。

（二）國內外3D打印技術應用實例

1、我國首家3D打印體驗館入駐京城。3D打印技術這個被英國《經濟學人》雜志稱為“將帶來第三次工業革命”的數字化制造技術，可打印出飛機、賽車、手槍、巧克力、人體器官等。近日，在北京市科委的支持下，位于北京DRC工業設計創意產業基地開業的中國首家“上拓3D打印體驗館”則能夠“克隆”一個真實的你，無論是頭發、眉目還是膚色，都和真實的你相差無幾。在“3D打印體驗館”里，不光是人物的三維掃描和人物模型的“打印”制作，一個易拉罐、一枚戒指、一個動漫玩偶、手機座、3D游戲里的人物角色、個性花瓶……只要是你能夠想象到的東西或者現實中已經存在的東西，都有可能被3D打印機“打印”出來。更令人嘖嘖稱奇的是，在上拓“3D打印體驗館”里還可以自己動手將自己的形象和其他三維形象結合，創造出專屬的立體模型帶走。依靠神秘的3D打印技術迪斯尼未來之家的神奇體驗竟然得以實現。

2、上海市靜安區青少年活動中心：3D打印機“打出”新創意。 2013年年初3D打印機“進駐”上海市靜安區青少年活動中心的消息引來了眾多好奇的學生，每到節假日，他們就紛紛來到活動中心，用它打印出自己設計的齒輪、機器人部件及各種其他的有趣設計。目前靜安區青少年活動中心已經開始定期開設相關課程，學生可以免費學習三維設計和計算機輔助制造，通過打印自己設計的機械零件，培養自身的三維掃描能力、建模能力和打印能力。“這不僅能夠更好地培養中小學生的設計創意、動手能力，而且還有助于他們更早地接受最新、最前沿的高新技術，進而對科技產生深遠的興趣”。

3、“3D打印將走進浙江中小學”。通過3D打印，可以準確、快速、完整地獲取實物的三維數字信息，大家平常吃的蛋糕、穿的球鞋也能用打印機打印出來。” 浙江省3D打印產業聯盟秘書長黃賢清說，早在今年年初，蕭山中學、蕭山二職、銀河小學、匯宇小學等學校就開始使用3D打印，感受這項高科技。目前，在北京、上海、廣州等一線城市，3D打印術已逐步開始在校園流行，不少學生還自發組成社團、實訓隊，涉足這一高科技領域。

4、在國外，邁阿密大學人類學專業的學生通過大學的3D打印實驗室的復制品，可以觸摸和研究像古埃及的花瓶這類脆弱的文物;哈佛大學和伊利諾伊大學厄本那香檳分校最近通過3D打印制造出如沙粒大小的為極小設備提供動力的鋰離子微電池;愛荷華州立大學地質學專業的學生可以研究罕見的化石、水晶以及礦石的3D打印標本，這樣不會對這些珍貴物品造成如何破壞。……。

五、結束語

3D打印目前還處于起步階段，但它無疑已展示出了改變世界的驚人潛力。 如果你不了解3D打印，不妨想想電影《星際迷航》（Star Trek）里虛構的復制機。你給電腦下達指令，要它做出你想要的任何東西，然后這個東西就奇跡般地出現了。用今天科技界的話語來講，就是從你的電腦向一臺3D打印機上傳計算機化的藍圖，接著那臺微波爐或洗衣機大小、盒子形狀的打印機就將塑料線或其他材料一點一點、一層一層地熔化，就像摞樂高（Lego）積木一樣。最終通過固化，它便成為你想要的產品。人們通過3D打印成功了什么呢？從簡單的小雕像到管道零件，現在每天都有很多東西在打印。真正的限制只在于人們的想象力。3D打印技術是制造方式和手段的革命化創新，代表著未來制造業信息化、智能化的發展方向，同時，也會使人們的生活和學習更加豐富多彩。

參考文獻：

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[2]新媒體聯盟地平線報告（2014高等教育版）[J]北京廣播電視大學學報，2014，（2）：22-33.

[3]迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印：從想象到現實[M].，賽迪研究院專家組譯.北京：中信出版社 2013

[4]李建榮.我國首家3D打印體驗館實現全“克隆”[N]. 科技日報 2013.1.21

[5]臧鶯.靜安青少年活動中心：3D打印機“打出”新創意[EB/OL].http：//www.shedunews.com/zhuanti/xinwenzhuanti/2013expo/2013expo_qxld/2013/04/13/506889.html

[6]孫寅喬、王紅梅.3D打印將走進浙江中小學 [EB/OL]. http：//fashion.hangzhou. com.cn/ltrt/content/2014-05/04/content_5267711.html

作者簡介：彭亮，男，湖南衡陽人，青海廣播電視大學教務處講師，研究方向：計算機技術應用。