3D打印技術在創新創業教育中的應用研究

祁晨宇

隨著信息技術的發展，工業化與信息化的融合走向了更深的層次，3D打印技術已經走出實驗室走向了各行各業，在醫學、工業設計、機械設計、建筑、航空航天、汽車制造等專業都有應用。在歷年的“互聯網+”大學生創新創業大賽和“挑戰杯”大學生課外學術作品競賽等各類創新創業大賽中3D打印技術的應用越來越廣泛。3D打印技術能夠更快速直觀的表達學生的設計思想，展現自己的作品，3D打印技術在高職院校大學生創新創業教育中能夠激發學生的創新動力，和培養學生的創新意識。

3D打印技術是信息技術和數字控制技術的有機結合，以增材制造方式代替傳統的減材制造方式，將二維平面信息進行疊加生產三維零件。傳統制造方式下零件復雜程度會受到限制，而3D打印技術不受零件復雜程度的限制大大的激發了人的想象力和創造力。

1 3D打印技術簡介

3D打印技術是一種最快捷的將人腦中的想法轉化為實物產品的方法。①首先創作者要在大腦中構思產品的結構;②應用三維建模技術將大腦中構思的產品在三維建模軟件中表達出來;③將三維模型導入切片軟件中進行切片，形成三維模型的多層二維數據并生成打印路徑;④將打印路徑文件與3D打印機進行連接，3D打印機執行打印文件完成產品的打印。

目前主要的3D打印技術包括FDM熔融沉積技術、SLA激光光固化技術、SLS激光粉末燒結技術、SLM激光選區熔化技術。

FDM熔融沉積技術又稱熔絲沉積技術，它將絲狀的熱熔性材料進行加熱熔化，通過帶有微細碰嘴的擠出機把材料擠出，噴頭可沿X軸和Y軸方向移動，打印平臺可沿Z軸方向移動，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層粘合在一起，一層材料沉積后打印平臺下降一個厚度，然后重復以上步驟直到產品完全成型。

SLA激光光固化技術，在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，它在特點波長激光束的照射下會快速固化，工作臺處于液面下一個截面層厚的高度，激光束在計算機的控制下按照截面輪廓，沿液面進行掃描，使被掃描區域的樹脂固化。然后，工作臺上升一層薄片的高度，已固化的樹脂薄片就會與新一層的固化樹脂粘合，如此重復不已，直到整個產品成型完畢。

SLS激光粉末燒結技術，鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，計算機控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。當一層截面燒結完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型。

SLM激光選區熔化技術（與SLS技術類似），是利用高能量激光束將設計好的二維截面上的金屬合金粉末熔化， 由下而上逐層打印實體零件的一種金屬增材制造技術，具有尺寸精度高、表面質量好、致密度高和材料浪費少的優勢。

2 3D打印技術在高職院校創新創業教育中的應用

3D打印技術作為一種新的智能化制造技術，它利用計算機三維制作軟件對所需要的物品進行虛擬三維建模，通過3D打印設備將電腦軟件呈現的三維立體作品打印出來，以實體方式進行呈現。在教育行業中3D打印技術也逐漸與高校創新創業教育相融合，并且已經成為高校創新創業教育開展應用的主要技術之一。

2.1 3D打印課程

可以將3D打印課程與三維建模課程相結合，可有效地提高教學質量，3D打印技術的一個重要環節就是三維模型的制作，它需要我們利用三維建模軟件如3DMAX、SolidWorks、Creo、NX等軟件制作出三維模型，或者是使用三維掃描儀把實物掃描到電腦中。然后導出3D打印機支持的數據格式如STL、BOJ、3DS等，然后進行切片和打印。

三維模型的創建是關鍵技術，一般院校的工科專業如工業設計、機械設計、建筑等都開設三維建模課程。建模學習過程是很繁復的，也是非常枯燥乏味的，如果學生沒有很好的學習習慣、空間想象能力，就會影響課堂教學效果。在教學過程中，引入3D打印技術，鼓勵學生把自己制作的三維模型作品用3D打印機打印出來，學生看到自己設計的作品以實物形式出現時就會有一種較強的成就感，對課程的興趣明顯增大，3D打印的實物不僅能夠直觀地反映出模型創建的質量，而且很容易發現模型創建存在中的問題，有利于對模型的修改與完善。

2.2 創客空間

創客源于美國麻省理工學院的實驗課題，該課題以創新為理念，以用戶為中心，以個人設計和制造為核心內容，參與項目的學生即為“創客”。創客空間是支持創客完成個人產品DIY制作的開放性工作空間。。

高職院校通過創辦創客空間并向全校師生提供3D打印服務來激發學生參與創新的積極性，集中為學生提供3D打印技術相關的知識體系培訓和體驗式服務。創客空間為不同學科背景的學生進行協同創新提供了有利條件，并通過3D打印機等設備最終將創意轉化為產品原型。目前國內很多高校已經開發了自己的創客空間，現階段以提供3D打印體驗式服務居多。鼓勵學生積極參與創客空間組織的各項活動，實現人人創造、人人快樂、人人成長。

2.3 創新實驗室

為了更好的激發學生的創新動力，開拓學生的視野，為打破學科界線，更好地實現知識融合和知識創新，高職院校可以成立多學科融合的創新實驗室，以3D打印技術等數字工具為資源將不同專業的學生聯系在一起，為學生提供適宜的學習環境和學習目標。

以創新實驗室為教學環境，通過開展集設計和3D打印于一體的創新課程，讓學生解決日常生活中的實際問題。學生在應用3D打印技術解決問題的過程中，不僅將物理原理等抽象概念實體化，同時還學習掌握了工程設計知識。學生通過創新設計、數字建模3D 打印驗證，使理論與實踐相結合，為抽象的概念學習提供了新的學習途徑。創新實驗室以教師組織相應課程、布置相關任務為處出發點，學生進行有針對性的學習、將要解決的實際問題當作學習的出發點和落腳點大大的提高了學習效率。

2.4 創新創業大賽

目前針對大學生的各級各類創新創業大賽大大的激發和帶動了大學生積極的參與到創新創業活動中。以“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”大學生課外學術作品競賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國三維數字化創新設計大賽等各類創新創業大賽為主，學生在參與大賽的過程積累了和知識和技能。在學生參賽過程中往往需要快速直觀的表達設計思想，3D打印技術能夠很好的滿足學生這方面的需求，因此最近今年來3D打印技術與創新創業大賽的結合越來越緊密。大賽促進了3D打印技術能夠快速的走到各專業的學生中，同時3D打印技術也使得大賽的作品能夠在短短幾年內質量得到大幅度的提升。因此利用各級各類大賽的平臺在大學生當中大力的推廣3D打印技術將是最近幾年的一個發展趨勢，也是培養學生創新創業能力的一個很好的途徑。

3 3D打印技術在高職院校學生創新能力培養中的優勢

3.1 為培養大學生創新思維創設良好的條件

創新意識是大學生創新能力培養的重點、創新思維是大學生創新創業能力培養的核心。3D打印作為一種先進的成形技術，能夠打印各種復雜形狀的產品，它拓展了人的想象空間，促進了思維能力的進一步發展。將3D打印引入實踐教學，能夠為學生創新能力訓練創設良好教學的情景。通過大膽設計，建立三維模型，3D打印機就能將三維模型打印為可觸摸可展示的實體，激發了學生的創新勇氣和創新思維。

3.2 激發學生的創新動機

創新動機是推動人們從事創新活動的內部動力，是創新行為的發端，3 D打印技術能夠將設計的模型呈現成立體直觀的實物，這種快速成型技術能夠充分調動學生的學習積極性，激發學生的創新動機。例如：在工業設計課程造型設計教學中，通常教師是利用多媒體圖片、動畫和視頻等為學習者創建一種信息化學習環境，但這種教學缺乏對真實事物的探索實踐。3D打印技術改變了傳統講授演示的教學方式，可視化的3D打印技術，將學生的設計模型打印成立體實物，營造更逼真的學習環境，給學生帶來強烈的現場感，能夠顯著提高學生的學習興趣和創新意識。

4 總結

根據2015-2018年“互聯網+”大學生創新創業大賽和“挑戰杯”大學生課外學術作品競賽的項目分析可以看出歷年的作品中用3D打印技術來快速驗證作品功能的項目越來越多呈逐年增加的趨勢，3D打印技術作為一種新興制造技術在培養大學生創新思維和創業實踐能力方面具有重要的應用前景和推廣價值。

（作者單位：包頭職業技術學院）