基于3D打印的模具专业教学体系的改革与实践

张晓华+刘晓晶

摘 要：3D打印是一种不同于传统加工技术的新型技术，文章基于现有模具专业的教学体系，探讨了3D打印技术与现有专业课程的有机结合，分析了这种改进后的教学体系对学生教学效果的改善和提高。

关键词：3D打印；增材制造；模具；教学体系

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2017）02-0023-02

目前，中国经济面临转型升级的重要任务，尤其是东北地区，工业相对落后，发展和培育适应新时代的工业体系显得尤为重要。而为这种经济转变和工业升级培养出合格的人才，是摆在高等院校人才培养方面的日益紧迫的任务[1]。随着社会不断向前发展，一些新的专业技术不断涌现，如何将这些新的技术和现有高校的专业教学体系融合并协同发展，是高校能否培养出不断与时俱进的高专业素质人才的关键。

一、3D打印技术与模具专业现有教学体系

（一）3D打印技术

3D打印技术是近三十年发展起来的一种新型加工技术，具有不同于传统加工技术的鲜明的特色及优势。其一般过程为，首先采用计算机技术，将模型分成一定厚度的切片，然后控制打印机器，将粉末、丝材或者液体材料等通过一定的方法一层层叠加成形，做出性能和形状各异的零部件[2]。经历三十年的发展，3D打印已经发展为SLS（Selective Laser Sintering，选择性激光烧结），SLM（Selective Laser Melting，选择性激光熔化），LOM（Laminated Object Manufacturing，分层实体制造），FDM（Fused Deposition Modelling，熔融沉积法），SLA （Stereolithography，立体光刻技术）等多种加工方式，这些方法分别适用于不同的材料和工艺。

（二）模具专业现有教学体系

现有的模具专业教学体系，受限于一些客观条件，

往往理论教学多，实践教学少。有观点认为，学习知识不应该和活动情境分离而独立、抽象存在，而应该在相应的情境中学，多与社会实践活动结合起来[3]。尤其是模具专业，实践性很强，很多知识需要学生在现场认知学习，为适应这种需求，现有教学体系安排了很多实践环节，

比如认识实习、金工实习、生产实习、模具设计课程训练等等，并具体分布到大学四个学年的学习过程中。但作为专业课教师，我们认识到这种实习也仅仅是在某一个阶段，在理论学习完之后进行的再认识和再提高，理论学习和实践学习没有完整地融合在一起，使得学生在学习过程中面临较大的困难，学习研究效果大打折扣。

（三）3D打印为现有教学体系带来革新

3D打印技术的发展，为模具专业的学生学习，提供了一个很好的契机。3D打印技术快速拉近了理论学习和实际过程之间的距离，可以及时将头脑中虚拟的物品转化为真实物品，使学生具有一定的获得感，提升学习兴趣，避免了学习过程中理论设计和现实之间的误差，

促进学生对专业技术的感性认知和整体认识。有心理学家认为，学生的直接经验和感性认识是学生进行想象和创造的基础，学生想象能力的培养和立体图像的建构则需要学生观看更多的立体结构，研究立体结构的形成过程。3D打印技术则适应这一需求，教师不仅可以在课堂教学过程中为学生提供丰富的立体模型，更可以引导学生观察立体模型从无到有，一步步建构的过程，引导学生分析其内部结构和设计理念，取得更好的学习效果。

二、3D打印与现有教学体系的结合

随着3D打印技术的日益成熟，在高等院校专业技

术人才的培养中，适时地引入相关技术，并和现有教学体系紧密融合，将会很大程度上改善现有教学体系，提

高学生学习效率，提高学生专业素质。哈尔滨理工大学模具专业在3D打印与现有教学体系融合的过程中，慢慢摸索出了一条自己的路径。

（一）机械制图

机械制图课程对空间的想象能力具有很高的要求，但学生刚刚进入大学学习，空间想象能力缺乏持续有效的锻炼，导致大多数学生在学习这门课程中遇到很大的困难。比如两个不同直径圆柱的相贯线，很多学生就不能想象出来，更谈不上从不同的视角去绘制。面对这类问题，现在通常的教学方法是采用模型，在课堂上引导学生从不同角度观察，进而绘制，但其效果并不太理想，两个模型的相贯线在两个模型确定的时候已经确定，还是有部分学生不能深入理解相贯线的形成。3D打印技术中的FDM工艺，在将两个不同物体同时打印出来时，物体的相贯线也随着物体成形的过程，一点点将形成过程展现出来。学生在学习过程中，直接观察到这种相贯线的形成过程，不仅有利于其空间想象能力的建构，更有利于理解相贯线的形成过程，让学生知所然，也知所以然。

（二）模具CAD

模具CAD是模具专业必修的一门专业课。学生在模具CAD课程学习中，反映装配关系复杂、虚线实线不易区分，其本质还是空间想象能力不够，当然也反映出对模具工作过程不熟悉。在此情况下，可以采用两方面的措施，其一是采用三维造型软件，比如Pro/E或者UG等，与auto CAD二维软件的结合使用，提高学生对立体造型的感知能力，当然这种措施也增加了课时；其二可以采用3D打印FDM技术，在授课的同时，将模具中的某个零件打印出来，或者采用SLA技术，将整个模具模型同时打印，给学生以直观的体验和整体认识。

（三）模具设计课程训练

模具设计课程训练是模具专业学生学习完相关专业课后，进行的一个非常重要以提高学生综合能力为目的的训练课程，时间一般持续为3周。现在一般的做法是，学生采用手工绘图，包括装配图和零件图，并写出计算说明书，经教师评审答辩后给出成绩。整个过程中，学生并没有将自己所设计的模具变成实物，对自己所设计的模具能否正常工作没有明确认识。导师在指导过程中，也不可能对设计过程中的尺寸、装配，工艺，精度等方方面面的错误一一指出，学生训练效果就打了折扣。3D打印技术，可以允许以较低的材料成本，在模具设计过程中，将每个学生設计修改后的模具，打印出模型。学生自己就可以通过该模型，检验自己设计模具能否正常工作，尺寸是否有偏差，装配关系是否正确等等各种问题，及时纠正自己的错误，提高效率，学习效果也得到大幅度提升。

三、3D打印对现有教学体系的扩展

3D打印与现有教学体系的融合，不仅仅在于对现

有教学内容的深刻理解，更在于在现有基础上的，教学 内容进一步扩展和增加，培养基于3D打印思想的设计理念，正如卢秉恒院士在2015年8月份向国家领导人

汇报3D打印技术进展时所提到的，要加大培养具有

“3D打印思维”的人才，才能进一步提高专业技术人才的能力和素质，更好发挥3D打印在整个工业体系中的作用等。

（一）基于3D打印的设计思维人才的培养

3D打印思维，是指针对3D打印加工特点的产品以及零部件结构、功能和工艺等的设计方法和思路，是一种不同于面向传统加工方法的设计思维。传统加工方式采用减材制造，一次只能加工一个零件，需要充分考虑后继的结构设计和工艺能力，在“功能—结构—工艺”的链条中，后者对前者具有较强的制约作用。3D打印技术完全突破了这种束缚，在一定程度上，使得产品或者部件的功能设计随心所欲，而不必担心后继的结构和工艺限制。

但现有教学体系中，主要还是以传授面向传统减材制造的思维方式为主，体现的都是功能、结构和工艺的相互制约关系。随着3D打印技术的不断成熟，在工业体系中应用范围的不断扩大，培养具有3D打印思维的设计人才，是必然的发展趋势。根据这种需求，在现有教学体系中，必然要求增加能够体现3D打印思维的相关课程，将这种自由、快速的制造方式与空间、结构和功能上的想象力以及专业素养结合起来，设计出传统加工方法无法完成的新式产品和零部件，依托加工方式上的创新，实现产品和零部件功能上与结构上的创新。

（二）新增3D打印相关课程

3D打印新增设课程，根据专业现有体系的具体情况，可以增加2—4门。其一为整体介绍3D打印技术的课程，内容可以包含SLS、SLM、FDM、SLA、LOM、3DP等

不同研究方向的工艺特点，使用材料，使用范围，影响因素等等；其二可以针对某一种具体方向，比如FDM或者SLM，结合相关机器和设备，深入介绍该工艺的设备结构，工作原理，工艺参数，材料性能，制件检测等相关知识；其三可以开设体现整个3D打印工作流程的课程，比如逆向工程设计，简要介绍从扫描技术、数据修复和处理、3D打印以及后继热等静压、表面处理的相关技术，给予学生熟悉整个工作流程，树立逆向思维的设计理念；其四，还可以组织学生就整个流程中感兴趣的内容，进行深入学习。3D打印技术相关课程的开设，是对现有教学内容体系有益、必要的补充，对完善学生知识架构，促进学生对现有知识的深入理解和思考，培养创新的思维，均具有重要意义。

3D打印作为一种最近三十年发展起来的新式技术，尽管显示出了众多的优势，但面临的困难还很多，尤其在与现有课程的结合以及增设相关课程培养学生新式思维方面，需要继续在发展过程中，根据专业需求，慢慢深入进一步摸索融合方式。但可以肯定地说，3D打印融入现有教学体系，是必然的发展趋势，也必然会对学生现有知识的学习，以及新知识、新思维的扩展起到积极有益的作用。

参考文献：

[1]杨洁，刘瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的创新应用 [J].中国医学教育技术，2014，（1）.

[2]牛一帆.3D打印在教学中的应用研究[J].塑料包装， 2015，（1）.

[3]莫雷.教育心理學[M].北京：教育科学出版社，2007：65.