3D打印技術(shù)應(yīng)用及教培模式的創(chuàng)新與研究

蔡親瑋 王瀟宇 王艷武

3D打印技術(shù)的成熟與廣泛應(yīng)用，為教育創(chuàng)新發(fā)展提供了重要的驅(qū)動力。近年來，國內(nèi)3D打印教育發(fā)展迅速，圍繞項目實施的各方參與者對3D打印教育理念的認識程度及推廣力度也不斷提高。同時，國家政府機構(gòu)對推動3D打印教育的落地發(fā)展也愈發(fā)重視，可集中3D打印機研發(fā)的優(yōu)勢，自行設(shè)計生產(chǎn)特色化的3D打印機，在向市場輸入優(yōu)質(zhì)3D打印機的同時推出3D打印機教學(xué)業(yè)務(wù)。可集中利用大學(xué)生的優(yōu)勢資源，通過入駐學(xué)校的方式開展3D打印培訓(xùn)，與傳統(tǒng)的興趣班相比，具有招生壓力小，培訓(xùn)成本低等優(yōu)勢。將3D打印機設(shè)計制造與3D打印教學(xué)集成的企業(yè)稀少，并且國內(nèi)3D打印培訓(xùn)處于起步階段，是一片藍海市場。

一、3D打印在課外科技培訓(xùn)的特點

（一）3D打印技術(shù)引入課堂

隨著科技的發(fā)展與我國素質(zhì)教育的普及，3D打印技術(shù)將會逐漸出現(xiàn)在中小學(xué)課堂中。3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。在軍工方面，目前已經(jīng)研制出可采用3D打印技術(shù)制造的輕武器，在航空航天方面，我國先進戰(zhàn)斗機已經(jīng)采用了通過3D打印制造的部件。

在教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以改變傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式，可將虛擬的變成現(xiàn)實的，可將遙不可及的變成觸手可得的，也可將抽象的變成變成具體的。通過3D打印，也有利于提升學(xué)生的思維思維能力和創(chuàng)造能力。可在學(xué)校的社團中開展關(guān)于3D打印的培訓(xùn)，逐步培養(yǎng)學(xué)生們的興趣愛好。現(xiàn)在國內(nèi)的很多中小學(xué)都組建了對于素質(zhì)教育的興趣社團，建設(shè)學(xué)生實驗室，開展對應(yīng)的3D打印實訓(xùn)課程與比賽，使3D打印更深入地進入到中小學(xué)生的課堂中。

因此，對3D打印技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用情況進行研究，并對廣大的一線教師開展相關(guān)的系列培訓(xùn)，具有重要的研究意義和實踐價值。

（二）3D打印教育的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)規(guī)則。教師可以將3D打印技術(shù)引入教學(xué)實踐，提高課堂教學(xué)吸引力及增強互動性，達到更好的教學(xué)效果;學(xué)生通過3D打印技術(shù)，可以培養(yǎng)創(chuàng)新意識和動手能力，提高團隊合作能力和問題解決能力。對于企業(yè)來講，開展3D打印教育，能夠帶動行業(yè)發(fā)展、帶動3D打印技術(shù)在教育市場的普及與應(yīng)用。

（三）3D打印課外培訓(xùn)行業(yè)的市場痛點

1.培訓(xùn)企業(yè)以校外培訓(xùn)為主，根據(jù)以往的中小學(xué)興趣班的培養(yǎng)模式來看，具有招生周期慢，學(xué)生教學(xué)成本高，在有限的時間周期內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)時間次數(shù)少，培訓(xùn)成本高等問題。

2.絕大部分致力于教育市場的企業(yè)不涉足3D設(shè)備的研發(fā)，在教學(xué)活動中采用第三方生產(chǎn)的設(shè)備價格高昂，且售后的維護周期長，手續(xù)繁瑣，在普及性的3D打印教學(xué)中并不實用。

3.生產(chǎn)針對于教育市場的3D打印機廠商不涉足3D打印教育市場，3D打印機生產(chǎn)商可提供優(yōu)質(zhì)的設(shè)備但不能提供優(yōu)質(zhì)的3D打印培訓(xùn)。

4.市場鮮有結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，令人耳目一新的3D打印機，我們可提供完自主設(shè)計的，高質(zhì)量，高可靠性，且實用性強的3D打印機。國內(nèi)許多機型都由國外知名機型改進而來，少有廠商致力于研發(fā)新型3D打印機。

5、如今3D打印教育，普遍缺失的是教材以及教師隊伍，3D打印作為一項新時代的新產(chǎn)物在師資力量培訓(xùn)方面沒有完整的系統(tǒng)體系，且教師培養(yǎng)成本高，時間周期長，對于中小學(xué)教育市場性價比極低。

二、3D打印在教育領(lǐng)域的培養(yǎng)模式

（一）培養(yǎng)模式的創(chuàng)新

3D打印行業(yè)可集3D打印機研發(fā)制造、3D打印教學(xué)以及周邊相關(guān)科技產(chǎn)品培訓(xùn)為一體。集中3D打印機研發(fā)的優(yōu)勢，自行設(shè)計生產(chǎn)特色化的3D打印機。向市場輸入優(yōu)質(zhì)3D打印機的同時推出3D打印機教學(xué)業(yè)務(wù)。

目前國內(nèi)3D打印培訓(xùn)處于起步階段，是一片藍海市場。企業(yè)可集中利用行業(yè)的優(yōu)勢資源，通過入駐學(xué)校的方式開展3D打印培訓(xùn)，與傳統(tǒng)的興趣班相比，具有招生壓力小，培訓(xùn)成本低等優(yōu)勢。在大學(xué)生興趣群體中進行選拔，通過企業(yè)的內(nèi)部培訓(xùn)以及結(jié)業(yè)考核，向市場提供質(zhì)優(yōu)價廉的師資力量，解決了市場上沒有合格指導(dǎo)老師的困難。

（二）對于3D打印配套產(chǎn)品的研究

企業(yè)應(yīng)針對課堂教學(xué)的特點，研制對應(yīng)特點的3D打印設(shè)備。以45分鐘為一課時，留給學(xué)生操作的時間并不多，為了能達到立等可取的效果，對3D打印機的打印速度有一定的要求。學(xué)生操作3D打印機要能夠便捷的進行維護與保養(yǎng)，故機械結(jié)構(gòu)方便應(yīng)當(dāng)輕量化設(shè)計。為達到上述的目的，我們對于3D打印機開發(fā)做出了以下創(chuàng)新。

1. 獨特的懸臂設(shè)計

Mini i3采用懸臂設(shè)計，節(jié)約40%的結(jié)構(gòu)組件，降低了組裝時間，節(jié)約的制造成本。在機械設(shè)計上比較新穎，結(jié)構(gòu)簡單，有效，高效。我們利用Z軸的直線導(dǎo)軌模塊，設(shè)計了一個固定零件，集成了X軸步進電機。9號直線導(dǎo)軌剛好于12號直線導(dǎo)軌的滑塊間距相等，我們將9號直線導(dǎo)軌直接安裝在12號直線導(dǎo)軌的滑塊上，外加固定零件提升精度和強度。

2.極低的運動負荷

目前的FDM打印機主要有兩種傳動方式，分別為絲桿傳動和同步帶傳。我們在設(shè)計初期采用的是絲桿傳動，但絲桿本身自重較大，且由于絲桿本身的導(dǎo)程限制，傳動效率以及速度較慢。我們在實際測試中發(fā)現(xiàn)了這些問題，將絲桿傳動升級為同步帶傳動。Mini i3的X軸運動負載僅來源于直線導(dǎo)軌與滑塊間微小的摩擦力以及同步帶的自身張力。進一步提高了打印速度，提高了mini i3的實用程度，基于市面上常見的懸臂結(jié)構(gòu)I3打印機，常常存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)等情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，傳動負載大導(dǎo)致打印機打印精度不高，所以我們將mini i3的傳動零件精簡化設(shè)計，采用獨家的同步帶特色傳動，相較于市面上懸臂i3。我們研發(fā)的產(chǎn)品解決了傳動效率不高的情況。

3. 集成式光軸安裝支架

常見的光軸支架一般為獨立結(jié)構(gòu)，即一根光軸的一邊只能安裝一個支架，而mini i3的光軸間距較小，我們將光軸支架做成一體化，簡化了光軸安裝難度，光軸支架的一端能與靠外的鋁型材對齊，不需要工裝件，便于新手組裝。

4. 擠出頭支架設(shè)計

我們設(shè)計了一個L型零件， 能夠?qū)D出頭固定在直線導(dǎo)軌滑塊上，外加扇熱風(fēng)扇。將擠出頭和散熱風(fēng)扇集成的設(shè)計提高了散熱的效率。同時，散熱風(fēng)扇的加入，解決了擠出頭堵頭的問題，提高了可靠性。

基金項目：武漢東湖學(xué)院青年基金項目（2019dhzk002）

湖北省教育廳指導(dǎo)性項目：B2020244

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