基于3D打印的模具專業教學體系的改革與實踐

張曉華+劉曉晶

摘 要：3D打印是一種不同于傳統加工技術的新型技術，文章基于現有模具專業的教學體系，探討了3D打印技術與現有專業課程的有機結合，分析了這種改進后的教學體系對學生教學效果的改善和提高。

關鍵詞：3D打印；增材制造；模具；教學體系

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）02-0023-02

目前，中國經濟面臨轉型升級的重要任務，尤其是東北地區，工業相對落后，發展和培育適應新時代的工業體系顯得尤為重要。而為這種經濟轉變和工業升級培養出合格的人才，是擺在高等院校人才培養方面的日益緊迫的任務[1]。隨著社會不斷向前發展，一些新的專業技術不斷涌現，如何將這些新的技術和現有高校的專業教學體系融合并協同發展，是高校能否培養出不斷與時俱進的高專業素質人才的關鍵。

一、3D打印技術與模具專業現有教學體系

（一）3D打印技術

3D打印技術是近三十年發展起來的一種新型加工技術，具有不同于傳統加工技術的鮮明的特色及優勢。其一般過程為，首先采用計算機技術，將模型分成一定厚度的切片，然后控制打印機器，將粉末、絲材或者液體材料等通過一定的方法一層層疊加成形，做出性能和形狀各異的零部件[2]。經歷三十年的發展，3D打印已經發展為SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結），SLM（Selective Laser Melting，選擇性激光熔化），LOM（Laminated Object Manufacturing，分層實體制造），FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉積法），SLA （Stereolithography，立體光刻技術）等多種加工方式，這些方法分別適用于不同的材料和工藝。

（二）模具專業現有教學體系

現有的模具專業教學體系，受限于一些客觀條件，

往往理論教學多，實踐教學少。有觀點認為，學習知識不應該和活動情境分離而獨立、抽象存在，而應該在相應的情境中學，多與社會實踐活動結合起來[3]。尤其是模具專業，實踐性很強，很多知識需要學生在現場認知學習，為適應這種需求，現有教學體系安排了很多實踐環節，

比如認識實習、金工實習、生產實習、模具設計課程訓練等等，并具體分布到大學四個學年的學習過程中。但作為專業課教師，我們認識到這種實習也僅僅是在某一個階段，在理論學習完之后進行的再認識和再提高，理論學習和實踐學習沒有完整地融合在一起，使得學生在學習過程中面臨較大的困難，學習研究效果大打折扣。

（三）3D打印為現有教學體系帶來革新

3D打印技術的發展，為模具專業的學生學習，提供了一個很好的契機。3D打印技術快速拉近了理論學習和實際過程之間的距離，可以及時將頭腦中虛擬的物品轉化為真實物品，使學生具有一定的獲得感，提升學習興趣，避免了學習過程中理論設計和現實之間的誤差，

促進學生對專業技術的感性認知和整體認識。有心理學家認為，學生的直接經驗和感性認識是學生進行想象和創造的基礎，學生想象能力的培養和立體圖像的建構則需要學生觀看更多的立體結構，研究立體結構的形成過程。3D打印技術則適應這一需求，教師不僅可以在課堂教學過程中為學生提供豐富的立體模型，更可以引導學生觀察立體模型從無到有，一步步建構的過程，引導學生分析其內部結構和設計理念，取得更好的學習效果。

二、3D打印與現有教學體系的結合

隨著3D打印技術的日益成熟，在高等院校專業技

術人才的培養中，適時地引入相關技術，并和現有教學體系緊密融合，將會很大程度上改善現有教學體系，提

高學生學習效率，提高學生專業素質。哈爾濱理工大學模具專業在3D打印與現有教學體系融合的過程中，慢慢摸索出了一條自己的路徑。

（一）機械制圖

機械制圖課程對空間的想象能力具有很高的要求，但學生剛剛進入大學學習，空間想象能力缺乏持續有效的鍛煉，導致大多數學生在學習這門課程中遇到很大的困難。比如兩個不同直徑圓柱的相貫線，很多學生就不能想象出來，更談不上從不同的視角去繪制。面對這類問題，現在通常的教學方法是采用模型，在課堂上引導學生從不同角度觀察，進而繪制，但其效果并不太理想，兩個模型的相貫線在兩個模型確定的時候已經確定，還是有部分學生不能深入理解相貫線的形成。3D打印技術中的FDM工藝，在將兩個不同物體同時打印出來時，物體的相貫線也隨著物體成形的過程，一點點將形成過程展現出來。學生在學習過程中，直接觀察到這種相貫線的形成過程，不僅有利于其空間想象能力的建構，更有利于理解相貫線的形成過程，讓學生知所然，也知所以然。

（二）模具CAD

模具CAD是模具專業必修的一門專業課。學生在模具CAD課程學習中，反映裝配關系復雜、虛線實線不易區分，其本質還是空間想象能力不夠，當然也反映出對模具工作過程不熟悉。在此情況下，可以采用兩方面的措施，其一是采用三維造型軟件，比如Pro/E或者UG等，與auto CAD二維軟件的結合使用，提高學生對立體造型的感知能力，當然這種措施也增加了課時；其二可以采用3D打印FDM技術，在授課的同時，將模具中的某個零件打印出來，或者采用SLA技術，將整個模具模型同時打印，給學生以直觀的體驗和整體認識。

（三）模具設計課程訓練

模具設計課程訓練是模具專業學生學習完相關專業課后，進行的一個非常重要以提高學生綜合能力為目的的訓練課程，時間一般持續為3周。現在一般的做法是，學生采用手工繪圖，包括裝配圖和零件圖，并寫出計算說明書，經教師評審答辯后給出成績。整個過程中，學生并沒有將自己所設計的模具變成實物，對自己所設計的模具能否正常工作沒有明確認識。導師在指導過程中，也不可能對設計過程中的尺寸、裝配，工藝，精度等方方面面的錯誤一一指出，學生訓練效果就打了折扣。3D打印技術，可以允許以較低的材料成本，在模具設計過程中，將每個學生設計修改后的模具，打印出模型。學生自己就可以通過該模型，檢驗自己設計模具能否正常工作，尺寸是否有偏差，裝配關系是否正確等等各種問題，及時糾正自己的錯誤，提高效率，學習效果也得到大幅度提升。

三、3D打印對現有教學體系的擴展

3D打印與現有教學體系的融合，不僅僅在于對現

有教學內容的深刻理解，更在于在現有基礎上的，教學 內容進一步擴展和增加，培養基于3D打印思想的設計理念，正如盧秉恒院士在2015年8月份向國家領導人

匯報3D打印技術進展時所提到的，要加大培養具有

“3D打印思維”的人才，才能進一步提高專業技術人才的能力和素質，更好發揮3D打印在整個工業體系中的作用等。

（一）基于3D打印的設計思維人才的培養

3D打印思維，是指針對3D打印加工特點的產品以及零部件結構、功能和工藝等的設計方法和思路，是一種不同于面向傳統加工方法的設計思維。傳統加工方式采用減材制造，一次只能加工一個零件，需要充分考慮后繼的結構設計和工藝能力，在“功能—結構—工藝”的鏈條中，后者對前者具有較強的制約作用。3D打印技術完全突破了這種束縛，在一定程度上，使得產品或者部件的功能設計隨心所欲，而不必擔心后繼的結構和工藝限制。

但現有教學體系中，主要還是以傳授面向傳統減材制造的思維方式為主，體現的都是功能、結構和工藝的相互制約關系。隨著3D打印技術的不斷成熟，在工業體系中應用范圍的不斷擴大，培養具有3D打印思維的設計人才，是必然的發展趨勢。根據這種需求，在現有教學體系中，必然要求增加能夠體現3D打印思維的相關課程，將這種自由、快速的制造方式與空間、結構和功能上的想象力以及專業素養結合起來，設計出傳統加工方法無法完成的新式產品和零部件，依托加工方式上的創新，實現產品和零部件功能上與結構上的創新。

（二）新增3D打印相關課程

3D打印新增設課程，根據專業現有體系的具體情況，可以增加2—4門。其一為整體介紹3D打印技術的課程，內容可以包含SLS、SLM、FDM、SLA、LOM、3DP等

不同研究方向的工藝特點，使用材料，使用范圍，影響因素等等；其二可以針對某一種具體方向，比如FDM或者SLM，結合相關機器和設備，深入介紹該工藝的設備結構，工作原理，工藝參數，材料性能，制件檢測等相關知識；其三可以開設體現整個3D打印工作流程的課程，比如逆向工程設計，簡要介紹從掃描技術、數據修復和處理、3D打印以及后繼熱等靜壓、表面處理的相關技術，給予學生熟悉整個工作流程，樹立逆向思維的設計理念；其四，還可以組織學生就整個流程中感興趣的內容，進行深入學習。3D打印技術相關課程的開設，是對現有教學內容體系有益、必要的補充，對完善學生知識架構，促進學生對現有知識的深入理解和思考，培養創新的思維，均具有重要意義。

3D打印作為一種最近三十年發展起來的新式技術，盡管顯示出了眾多的優勢，但面臨的困難還很多，尤其在與現有課程的結合以及增設相關課程培養學生新式思維方面，需要繼續在發展過程中，根據專業需求，慢慢深入進一步摸索融合方式。但可以肯定地說，3D打印融入現有教學體系，是必然的發展趨勢，也必然會對學生現有知識的學習，以及新知識、新思維的擴展起到積極有益的作用。

參考文獻：

[1]楊潔，劉瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的創新應用 [J].中國醫學教育技術，2014，（1）.

[2]牛一帆.3D打印在教學中的應用研究[J].塑料包裝， 2015，（1）.

[3]莫雷.教育心理學[M].北京：教育科學出版社，2007：65.