3D打印開放式教學平臺在畢業設計中的應用

戴圣偉，曾維陽，侯賦軍，王炎平

（1.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲；2.湖南化工職業技術學院， 湖南 株洲）

一 引言

3D打印技術作為一項對傳統制造業具有顛覆意義的技術，在世界范圍內受到廣泛關注。其3D打印畢業設計作品流程包括：基于CAD、3DMAX等設計軟件設計立體模型，并通過Cura3D打印切片軟件進行逐層打印成品。作為制造業的創新制造形式，3D打印及其教育受到了相關部門高度重視，3D打印及其教育被列為突破發展的重點領域。在國務院關于3D 打印增材制造的專題講座后，李克強總理表示要在國內多個制造業行業加速3D 打印的裝備和運用，為3D打印在本科中的教學應用指明了方向[1]。

二 3D打印開放式教學平臺應用分析

（一） 3D打印在大學生畢業設計中的應用現狀

為了了解3D打印畢業設計作品情況，對湖南工業大學6個學院18個專業的畢業設計中3D打印的應用情況進行了調查。在18個專業中，要求學生畢業設計使用實物的專業有包裝工程、印刷工程、高分子材料與工程、產品設計（包裝）、產品設計（產品）、服飾、工業設計7個專業。其中，包裝工程共有173人，畢業設計做出實物的有104人，印刷工程共有165人，畢業設計做出實物的有99人，高分子材料與工程共有82人，做出實物的共有49人，產品設計（包裝）共有120人，畢業設計學校要求做出實物的有120人，產品設計（產品）共有60人，畢業設計學校要求做出實物的有60人，服飾共有50人，畢業設計學校要求做出實物的有50人，工業設計共有80人，畢業設計做出實物的有40人。實物需求表如表1所示。

表1 實物需求表

在包裝工程、印刷工程、高分子材料與工程、產品設計（包裝）、產品設計（產品）、服飾、工業設計7個專業中，在畢業設計中使用3D打印的有產品設計（包裝）8人，產品設計（產品）10人，服飾1人。3D打印應用表如表2所示。

表2 3D打印應用表

（二） 3D打印在大學生畢業設計中所面臨問題

通過與湖南工業大學教師、大三學生、大四學生、研究生交流，得知3D打印在大學生畢業設計中使用較少的原因：

（1） 3D打印成本高。市場上3D打印一件畢業設計作品普遍需要2500元以上，這給學生帶來了經濟負擔，許多學生在進行畢業設計時，都會避開這一雷區。而學校考慮到實物成本，也為了減少學生經濟負擔，學院實驗室盡可能提供材料，但是一般不超過200元。而對于成本較高的畢業設計作品，往往降低了要求。

（2） 3D打印教學難。學校沒有專門的3D打印課程，也沒有專門的3D打印教學平臺供老師教學。畢業班同學只能通過網絡資源與書本知識自學來進行3D打印畢業設計作品。而畢業班同學自學3D打印，往往會存在學習時間緊張，課程質量低、知識和應用無法很好轉化的問題。

（三） 3D打印開放式教學平臺的優勢

針對3D打印在大學生畢業設計中的應用現狀與所面臨問題，應用3D打印開放式教學平臺具有以下優勢：

（1） 降低3D打印成本。該平臺配備3D打印設備，畢業班同學只需支付耗材費即可實現3D打印畢業作品。打印1件畢業作品所需費用降低到2000元以下，減少了學生的經濟負擔。

（2） 提供3D打印教學。該平臺提供適用于畢業設計的3D打印教學，使學生的學習周期縮短，并且能很好地將3D打印知識應用在畢業設計中。

（3） 擴大畢業設計選題。該平臺提供3D打印設備和3D打印教學，為大學教師進行畢業設計選題提供條件，大學教師進行畢業設計選題的范圍擴大，畢業設計采用實物模型的情況增加。

三 3D打印開放式教學平臺在畢業設計中的應用

針對3D打印在畢業設計中應用較少，畢業設計作品不能很好地表示實際的設計應用以及3D打印畢業設計作品在大學生畢業設計中應用所面臨的問題，設計了 3D打印開放式教學平臺，以下將從3D打印開放式教學平臺組成、3D打印開放式教學平臺開放模式、3D打印開放式教學平臺教學來介紹3D打印開放式教學平臺。

（一） 3D打印開放式教學平臺組成

3D打印開放式教學平臺由3D打印設備，3D打印教學平臺和專業指導人員構成，如3D打印開放式教學平臺的組成見圖1所示[2-6]。

圖1 3D打印開放式教學平臺的組成

（1）3D打印設備。3D打印開放式教學平臺的3D打印設備包含3D打印掃描儀和3D打印機。3D打印機采用框架式打印機，既能滿足降低3D打印成本的需求，又能減少3D打印教學要求。

（2）3D打印教學平臺。3D打印教學平臺的教學目標是使畢業班學生掌握3D打印基本技術并把它運用到畢業設計中。在進行3D打印教學的同時輔以畢業設計所需的專業知識來更好地促進畢業班學生完成畢業設計實物作品。

（3）3D打印指導人員。3D打印開放式教學平臺指導人員由不同學科背景的大學創業畢業生組成。其擁有的3D打印畢業設計作品經驗積累，能對畢業設計所涉及的專業學科知識以及3D打印技能進行指導。

（二） 3D打印開放式教學平臺開放模式

3D打印開放式教學平臺開放模式是3D打印設備向外開放的一種模式，通過3D打印設備向畢業班學生開放，來減小畢業班學生經濟負擔。學生只需承擔耗材費而不用承擔額外費用。通過學生提出3D打印畢業設計申請來合理地分配3D打印設備進行3D打印教學以及3D打印畢業作品，有閑置的3D打印設備則同意申請，如果沒有閑置的3D打印設備則先滿足3D打印畢業設計教學的要求，當滿足3D打印畢業設計教學的要求后，再同意畢業班學生3D打印畢業設計作品申請，從而實現資源的有效運用。3D打印資源分配圖如圖2所示[7-11]。

圖2 3D打印資源分配圖

（三） 3D打印開放式教學平臺應用

3D打印開放式教學平臺教學，以大學教師為主，指導人員為輔，大學教師負責3D打印畢業設計全過程包括確定畢業設計課題、對畢業設計項目進行解讀、指導學生進行畢業設計以及組織學生進行畢業設計答辯，而由指導人員則在畢業班學生對畢業設計的選題分析、3D打印實物設計進行指導，通過分享自己3D打印畢業設計作品的經驗以及3D打印使用技巧培訓對畢業班學生使用3D打印技術完成畢業設計作品提供幫助，3D打印開放式教學平臺教學過程圖如圖3所示。

圖3 3D打印開放式教學平臺教學過程圖

四 3D打印開放式教學平臺在畢業設計中的應用成效

設計的3D打印開放式教學平臺于2017～2018年承接相關專業大學生畢業設計作品打印與設計指導數十件。為說明3D打印開放式教學平臺在畢業設計中的應用成效，以3D打印畢業設計作品在畢業設計作品中的增長為例，3D打印畢業設計作品情況如圖4所示。可以觀察到畢業設計使用3D打印的組數大幅度增加，說明了3D打印畢業設計作品普遍得到接受。

圖4 畢業展3D打印畢業設計作品情況

在本次畢業設計展中，首先由大學教師組成的畢業設計教學組組織畢業設計工作，根據培養學生綜合運用所學理論、知識和技能解決實際問題能力的指導思想，確定畢業設計課題。畢業班學生在拿到畢業設計課題后，大學教師以及指導人員對畢業設計項目進行解讀和分析并指導畢業班學生進行3D打印畢業設計作品設計。通過大學教師和畢業班學生指導討論、指導人員和畢業班學生指導討論，使畢業班學生找到畢業設計方向后，大學教師再進行專業知識的畢業設計設計指導、指導人員指導畢業班學生使用3D打印技術進行3D打印畢業設計作品。并將各個3D打印畢業設計作品按照設計指導思想組合在一起，形成一個具體的應用系統，來說明如何解決實際問題，并在畢業設計展中展出，供企業以及大學教師進行交流評價。

五 結語

3D打印開放式教學平臺在畢業設計中具有重要作用，構建了專業知識、3D打印技能和實踐運用的橋梁，是畢業設計教學的一種創新教學方式，3D打印開放式教學平臺使3D打印在畢業設計教學中大量應用成為可能。效果表明，學生能較好地使用3D打印完成畢業設計實物模型，同時不會有過重的經濟負擔。3D打印開放式教學平臺在畢業設計中的應用擴大了大學教師進行畢業設計選題的范圍，對畢業班學生通過畢業設計3D打印實物來展示學業成果以及對培養創新應用型人才具有重要的意義[12-15]，為畢業班學生3D打印實物完成畢業設計指明了方向。