3D打印在模具領域教學案例設計與實施

張永弟 陳佳興 孫寶鈺 楊光

[摘 要] 傳統模具制造方法加工周期長且成本高，往往無法滿足新產品對市場快速響應的需求，利用3D打印技術進行模具的快速制造成本低、效率高，特別適合新產品研發和個性化小批量產品生產。針對“快速模具制造技術”理論課程，從不同的行業應用出發，設計了快速模具教學案例，并提出案例教學的四步實施法，讓學生把理論知識與實踐應用緊密結合，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的綜合素質。

[關鍵詞] 快速模具;3D打印;教學案例;直接制模;間接制模

[基金項目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“面向區域經濟發展的地方高校傳統工科專業改造升級探索與實踐項目”（E-ZYJG20200211）;2019年度河北省教育廳研究生專業學位教學案例庫項目“3D打印在快速模具中的應用案例庫”（KCJSZ2019070）;2021年度河北省教育廳研究生示范課程項目“先進制造技術”（KCJSX2021075）

[作者簡介] 張永弟（1976—），女，河北景縣人，工學碩士，河北科技大學增材制造中心副主任，副教授，主要從事增材制造（3D打印）研究;楊 光（1974—），男，河北石家莊人，工學博士，河北科技大學機械工程學院院長，教授，主要從事增材制造（3D打印）研究。

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）31-0132-04? ? ? [收稿日期] 2021-04-08

一、引言

隨著教育理念的更新，將先進的項目成果案例和制造技術轉化為課堂教學內容成為教學改革的一個重要方向[1]。案例教學法通過引入具體教育場景，強調啟發引導、學生參與討論等，課題氣氛活躍，受到師生的廣泛認可，是培養應用型人才的重要教學方法[2]。我國對全日制工程碩士研究生的培養目標是“掌握某一專業（或職業）領域堅實的基礎理論和寬廣的專業知識、具有較強的解決實際問題的能力，能夠承擔專業技術或管理工作、具有良好職業素養的高層次應用型專門人才”。案例教學需要結合課程理論知識，把培養學生的科研創新能力和解決實際問題的能力作為教學案例設計的主要內容[3]，從知識的系統性、完整性、實用性等方面考慮，激發學生的好奇心和學習積極性[4]。目前，各級教育主管部門陸續出臺文件，推動全日制工程碩士培養中的案例教學實踐。筆者結合“快速模具制造技術”課程理論內容，從不同行業應用出發，設計了3D打印技術在模具領域的應用教學案例，并提出了教學案例的四步實施法。

二、案例設計背景

快速模具（Rapid Tooling，RT）技術是基于3D打印技術直接或間接地快速制造模具的技術，可以把創新設計快速推向市場，近年來成為研究和應用熱點[5-7]。可以利用3D打印設備直接制造形狀復雜的模具，也可以利用3D打印的零件原型間接地翻制模具[8，9]。RT技術作為一項系統工程技術，有效融合了機械、信息、控制、材料和激光技術等，已經被廣泛應用到航空航天、醫療、汽車等制造行業之中。“快速模具制造技術”課程是近年來面向機械工程學科快速制造研究方向的研究生開設的專業課，要求學生了解快速模具的發展趨勢，對各種快速模具的制作技術及應用領域有較全面的認識和理解，掌握幾種典型的快速制模技術并能學以致用。“快速模具制造技術”課程要求學生在對基礎理論進行掌握的同時還要有很強的動手能力，因此非常適合使用案例教學法。教師通過設計合理的教學案例，引導學生進行自主分析，理解案例中所包含的各種知識和相關技術;采用即學即用、理論與實踐無縫銜接的教學方法，形成一個為解決問題，帶著任務探索實踐的學習氛圍，最終達到教學目標[ 10 ]。

三、3D打印在模具領域應用的教學案例設計

（一）案例設計原則

1.以學生為中心。教學案例設計應以學生為中心，在學生掌握一定知識的前提下，以實踐問題引導啟發，收集相關知識的典型案例，通過案例的引入、知識點展開、知識點深入、問題的提出與問題的分析，將課堂教學設計做得更有針對性，從教學理念上激勵學生主動承擔任務，完成任務。把教學重點放在“學生學到了多少”上面，充分利用實驗室軟硬件資源，設計具有可操作性的案例，注重課程理論與工程實踐的結合。

2.學以致用。應能保證學生通過“案例學習+項目實踐”對所學知識進行靈活應用，基于項目的實踐學習能使學生完全沉浸在一個真實、具體的問題中，學生自由組成小組合作學習，小組成員分工合作，共同尋找問題的解決方案，提高學生團隊協作和解決工程問題的能力，讓學生深刻領會團隊的重要性，以及只有實踐才能出真知的道理。

3.案例完整性。教學案例應由案例背景、案例目的（案例解決的工程問題）、理論依據、關鍵要點等部分組成，根據所學知識對這幾部分進行總結，讓學生能對案例的來龍去脈、分析解決問題的方法和思路等有全面的了解。

4.探究性學習。所謂探究式教學，是指在教師的指導下，學生運用科學的方法進行探究式學習的教學活動，是實踐過程中的一種行之有效的教學方式。在案例教學中設計一系列開放式問題，學生分組討論，教師負責引導啟發。利用確認詢問、結構化探究、指導性探究和公開詢問等方式，拓展學生知識面的寬度，加深學生對課程內容理解的深度。

5.融合與發散思維訓練。融合思維訓練即訓練學生使用多個單獨的、離散的信息組合起來達成一個解決方案。發散性思維訓練即訓練學生從一個提示開始，然后對其進行批判性思考，以轉向不同的解決方法，為了尋找最優方案，集思廣益，對問題進行創造性分析。

（二）3D打印在模具領域的應用教學案例

1.3D打印直接制作快速模具案例——個性化透明保持器制作。（1）案例的目的和意義。牙齒結構雖然簡單，但形狀極為復雜，且具有獨一無二的特點。基于3D打印技術制作個性化透明保持器案例，需要學生利用光學掃描、逆向建模、光固化3D打印和吸塑成型等知識，解決傳統保持器制作過程步驟多、精度差的問題，達到縮短保持器制作流程、提高制作精度和效率的目的。（2）案例理論與實踐結合。個性化透明保持器制作案例主要包括三個階段：一是牙頜數模的獲取與處理。學生通過光學掃描儀采集牙頜三維數據，利用逆向工程對原始數據進行預處理。這個階段讓學生把課堂上學到的光柵掃描、激光掃描理論知識與光學掃描儀的實際操作使用相結合，把逆向工程理論與逆向軟件使用相結合。二是將光固化3D打印牙模作為吸塑模具。通過3D打印實踐，讓學生掌握3D打印離散堆積的工作原理，以及激光功率、掃描速度等工藝參數對打印質量的影響。三是個性化透明保持器吸塑成型。學生選擇不同厚度的膜片，通過壓膜機來完成保持器的吸塑成型，學生通過實際佩戴感知不同厚度的保持器對牙齒產生的力的大小;理解正壓和負壓吸塑成型的不同。