3D打印技術(shù)在包裝工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

姜?jiǎng)P譯 王桂英 徐淑艷 郭艷玲

摘要從3D打印的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀探索該技術(shù)在包裝工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用的新教學(xué)模式，拓展教師的教學(xué)手段，簡(jiǎn)化授課內(nèi)容，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、動(dòng)手能力和創(chuàng)新性，擴(kuò)展學(xué)生的技能范圍。

關(guān)鍵詞3D打??；包裝工程；創(chuàng)新性；學(xué)生主體

中圖分類號(hào)S-01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）32-0246-02

Application of 3D Printing in Packaging Engineering Education

JIANG Kaiyi，WANG Guiying，XU Shuyan et al（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040）

AbstractThis paper presented the characteristics and development state of 3D printing technology，and explored the new teaching mode of the application of 3D printing in packaging engineering education，expanded teachers teaching method，simplified teaching content，improving students enthusiasm，manipulative and innovation ability，and extended their range of skills.

Key words3D printing，packaging engineering，innovation，studentdominated

3D打印技術(shù)是一種快速原型技術(shù)，被廣泛認(rèn)為是第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具，其對(duì)社會(huì)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域帶來(lái)的深刻影響已經(jīng)逐漸凸顯。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用受到研究者的關(guān)注，一些國(guó)家和組織也開始對(duì)3D打印的教育應(yīng)用進(jìn)行探索。新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC） 2013地平線報(bào)告中提出，3D打印是未來(lái)四五年值得關(guān)注的新技術(shù)，將帶來(lái)教學(xué)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。如何有效地將其應(yīng)用到學(xué)習(xí)領(lǐng)域，為用戶提供學(xué)習(xí)支持，還有待深入研究。目前，在包裝工程教育中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，有許多問(wèn)題值得研究和探討，但可以肯定的是，3D打印技術(shù)能夠提供的教學(xué)手段、學(xué)習(xí)方式及教學(xué)效果毋庸置疑。

13D打印技術(shù)

“3D 打印”是通俗叫法，其學(xué)術(shù)名稱為快速原型技術(shù) （Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），也稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）。區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造方式，3D打印技術(shù)是基于增材制造原理的一種快速原型技術(shù)。整個(gè)制備過(guò)程不需要模具，也不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低原型產(chǎn)品的開發(fā)成本；且理論上可打印任意復(fù)雜形狀的工件，加工柔性大大提高[1]。總本上來(lái)講，3D打印過(guò)程可以分為3個(gè)階段。

1.1三維模型設(shè)計(jì)階段

進(jìn)行3D打印之前，首先要設(shè)計(jì)完整的三維模型。該三維模型應(yīng)該滿足所要選擇的3D打印技術(shù)的制造要求，包括最大尺寸、最小尺寸、支撐結(jié)構(gòu)等，以保證在進(jìn)行3D打印加工時(shí)可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)模型的全部要素，保證形狀精度及尺寸精度。目前，市場(chǎng)上幾乎所有的三維造型軟件，如ProE、Solid Works、SketchUP、AutoCAD、3D Max等均可以用于設(shè)計(jì)三維模型，最終另存為STL格式的文件即可用于3D打印。也可以通過(guò)反求工程，利用三維掃描儀、CT等手段對(duì)實(shí)體進(jìn)行掃描得到其三維數(shù)字模型。另外，還可以對(duì)二維的照片進(jìn)行灰度處理，然后使用PS或ArtCam Pro將灰度圖片處理得到具有一定厚度的三維浮雕模型。用戶可以根據(jù)不同的需求選擇合適的三維建模方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2三維模型打印階段

在3D打印階段，打印機(jī)首先對(duì)STL格式的三維數(shù)字模型進(jìn)行切片，根據(jù)所獲得的每一層橫截面的輪廓信息控制3D打印機(jī)制將所分割的每一層打印出材料片層，再逐層疊加，最終獲得所要的實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模型到實(shí)體零件的直接快速成型。目前隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也不斷發(fā)展并擁有多個(gè)分支，包括分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、立體光刻技術(shù)（SLA）、 熔融擠出技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）等。3D打印材料主要有尼龍材料、金屬材料、石蠟材料、橡膠材料、生物材料、工程塑料、光敏樹脂、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、木塑/石塑復(fù)合材料等。對(duì)于不同的3D打印技術(shù)，材料形態(tài)也分為線材、液體、粉末3種，可滿足不同場(chǎng)合的使用要求。

1.3打印件后處理階段

后處理是3D打印技術(shù)不可缺少的一個(gè)階段。在熔融擠出和立體光刻加工過(guò)程中，一些模型的斜面需要支撐結(jié)構(gòu)才能完成打印，在打印完成之后就需要通過(guò)后處理來(lái)去除多余的支撐結(jié)構(gòu)，從而獲得最終的模型。在激光燒結(jié)加工過(guò)程中，由于原材料為粉末狀態(tài)，只是通過(guò)激光作為熱源在無(wú)壓的情況下使粉末融化黏結(jié)，因此需要由后處理階段對(duì)成型件進(jìn)行增強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)于3D打印的實(shí)體，一般都會(huì)有毛刺或是部分粗糙的表面，都需要在后處理階段對(duì)成型件表面進(jìn)行打磨處理。另外也可以根據(jù)需要對(duì)打印件進(jìn)行著色處理。總之，通過(guò)后處理階段，使3D打印制件可以滿足不同場(chǎng)合的需求。

目前，為了更好地推廣3D打印服務(wù)，使其更好地服務(wù)大眾，基于云計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及移動(dòng)技術(shù)的為用戶提供設(shè)計(jì)及打印的相關(guān)服務(wù)已經(jīng)嶄露頭角。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，大批3D打印機(jī)將形成制造網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫連接，形成復(fù)雜的社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，滿足人們的各種需求。

23D 打印在教學(xué)應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)因其高柔性的加工制造方式以及廣泛的材料選擇范圍，為諸多領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)手段，從而不斷加速各領(lǐng)域的革新。目前，已經(jīng)有一些國(guó)家和學(xué)者開始重視將3D打印技術(shù)引入到教育領(lǐng)域的研究，試圖利用這種“所想即所得”的先進(jìn)制造技術(shù)引發(fā)一場(chǎng)教師與學(xué)生教與學(xué)的模式變革。

英國(guó)教育部于2012年10月，以21個(gè)學(xué)校為試點(diǎn)[2]，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程和設(shè)計(jì)等課程中，探索3D打印的教學(xué)應(yīng)用，推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新。美國(guó)政府也在大力推動(dòng)3D打印技術(shù)與學(xué)校教育結(jié)合。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬于2013年2月在國(guó)情咨文演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性。隨后，美國(guó)熔融沉積3D打印龍頭企業(yè)Makerbot公司計(jì)劃讓全美所有學(xué)校擁有3D打印機(jī)。2014年6月，在美國(guó)白宮首次舉辦的創(chuàng)客DIY發(fā)布會(huì)中，第一次宣布了將在全美中小學(xué)校引入3D打印技術(shù)。同時(shí)，美國(guó)也批準(zhǔn)了MENTOR項(xiàng)目計(jì)劃，實(shí)施美國(guó)高校3D打印機(jī)的使用推廣活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和提高創(chuàng)新能力，從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和理論科學(xué)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。另外Stratasys公司也專門推出一款新型產(chǎn)品Object30睿智，專門用于高等教育中。意大利理論物理國(guó)際研究中心（ICTP）充分證實(shí)了3D打印技術(shù)進(jìn)入教育領(lǐng)域的必要性。

我國(guó)雖然對(duì)于3D打印的研究起步較晚，但是近些年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，也充分意識(shí)到3D打印技術(shù)的重要性。目前在北京、上海等地多所中小學(xué)校已經(jīng)引入3D打印，用于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣[3]。同時(shí)，多所高校也在嘗試著將3D打印技術(shù)引入專業(yè)教育中，如機(jī)械、土木、工業(yè)設(shè)計(jì)等，在提升教學(xué)質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面已初見(jiàn)成效[4]。

33D打印技術(shù)在包裝工程教學(xué)中的應(yīng)用

3.13D打印技術(shù)提高包裝結(jié)構(gòu)課程教學(xué)效果

包裝結(jié)構(gòu)在包裝工程教學(xué)中是主要課程之一，傳統(tǒng)的教學(xué)方法一般都是教師通過(guò)二維的圖片或部分教具向?qū)W生進(jìn)行展示，并且傳統(tǒng)模型一旦采購(gòu)?fù)瓿?，很難再改變形狀和大小，不適應(yīng)發(fā)展的需要。特別是對(duì)于具有特殊設(shè)計(jì)的包裝結(jié)構(gòu)，無(wú)法給學(xué)生進(jìn)行實(shí)物的展現(xiàn)以提供給學(xué)生直觀的刺激，學(xué)生也只能通過(guò)想象來(lái)獲得信息，從而使教學(xué)效果大打折扣。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用大大地拓展了教師的教學(xué)手段，3D 打印的模型相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模型來(lái)說(shuō)：一是制作靈活，可以按需定制；二是相對(duì)輕便，大小自由控制，而對(duì)于具有代表性的包裝結(jié)構(gòu)，教師可以采用3D打印技術(shù)獲得實(shí)物，通過(guò)實(shí)物進(jìn)行教學(xué)，可以給學(xué)生最直觀、最真實(shí)的感官認(rèn)識(shí)，對(duì)于一些具有特殊功能的結(jié)構(gòu)，學(xué)生也可以直接通過(guò)實(shí)物演示掌握知識(shí)點(diǎn)，教師對(duì)于課程的講授可謂事半功倍，學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)也是易懂而深刻。

另一方面，對(duì)于包裝工程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，使用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)是必須掌握的技能之一，對(duì)于該類課程的講授，教師通過(guò)講解和演示將基本功能介紹給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)練習(xí)進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的模型往往只是存在于電腦之中，因此設(shè)計(jì)是否合理，只能通過(guò)教師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)判，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不易規(guī)范；同時(shí)理論與實(shí)踐的差距使學(xué)生也不能確定自己的想法是否與實(shí)際應(yīng)用相符合。然而，3D打印技術(shù)的“所想即所得”使得學(xué)生可以很容易獲得自己設(shè)計(jì)的實(shí)物，因此對(duì)于其美觀及功能的評(píng)判一目了然，教師易于指導(dǎo)，學(xué)生易于理解，從而最終不僅加深了學(xué)生對(duì)于軟件的掌握，也提升了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力及理念。

3.23D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)

隨著科技及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，包裝工程在滿足日常使用需求的基礎(chǔ)上，也正向著個(gè)性化、可定制性、先進(jìn)功能性等方向快速發(fā)展[5]。這就要求本專業(yè)的學(xué)生具有自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，而3D打印技術(shù)的“所想即所得”的高柔性加工完全可以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新的熱情。在包裝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，學(xué)生采用3D打印技術(shù)快速精準(zhǔn)地加工獲得自己的設(shè)計(jì)，可直觀檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及是否滿足功能性需求，從而使學(xué)生能夠?qū)λO(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自評(píng)自修。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)探索、發(fā)現(xiàn)、想象、實(shí)踐等環(huán)節(jié)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)變?yōu)樽灾魈骄繉?shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

3.33D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

學(xué)習(xí)的成果可以通過(guò)3D打印立竿見(jiàn)影地體現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生的任何想法、靈感都可以用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，吸引學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。學(xué)習(xí)者變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，促進(jìn)課程改革，便于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新意識(shí)[6]。

4總結(jié)

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備成本逐漸下降，從而加速了其平民化的推廣普及速度，其先進(jìn)的加工制造能力無(wú)移架起了包裝工程教學(xué)中虛擬與現(xiàn)實(shí)的一座橋梁，特別在包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中，使用3D打印技術(shù)可以將軟件設(shè)計(jì)的虛擬模型快速精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)物品，不但豐富了教師的教學(xué)道具，強(qiáng)化了學(xué)生認(rèn)知，提升教學(xué)效果，而且使學(xué)生的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，為學(xué)生的作品展示提供便利，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)物的直觀檢驗(yàn)而反饋設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，大大促進(jìn)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)及創(chuàng)新意識(shí)發(fā)展。

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