3D打印在模具领域教学案例设计与实施

张永弟 陈佳兴 孙宝钰 杨光

[摘 要] 传统模具制造方法加工周期长且成本高，往往无法满足新产品对市场快速响应的需求，利用3D打印技术进行模具的快速制造成本低、效率高，特别适合新产品研发和个性化小批量产品生产。针对“快速模具制造技术”理论课程，从不同的行业应用出发，设计了快速模具教学案例，并提出案例教学的四步实施法，让学生把理论知识与实践应用紧密结合，培養学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高学生的综合素质。

[关键词] 快速模具;3D打印;教学案例;直接制模;间接制模

[基金项目] 2020年度教育部第二批新工科研究与实践项目“面向区域经济发展的地方高校传统工科专业改造升级探索与实践项目”（E-ZYJG20200211）;2019年度河北省教育厅研究生专业学位教学案例库项目“3D打印在快速模具中的应用案例库”（KCJSZ2019070）;2021年度河北省教育厅研究生示范课程项目“先进制造技术”（KCJSX2021075）

[作者简介] 张永弟（1976—），女，河北景县人，工学硕士，河北科技大学增材制造中心副主任，副教授，主要从事增材制造（3D打印）研究;杨 光（1974—），男，河北石家庄人，工学博士，河北科技大学机械工程学院院长，教授，主要从事增材制造（3D打印）研究。

[中图分类号] G642.4    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）31-0132-04      [收稿日期] 2021-04-08

一、引言

随着教育理念的更新，将先进的项目成果案例和制造技术转化为课堂教学内容成为教学改革的一个重要方向[1]。案例教学法通过引入具体教育场景，强调启发引导、学生参与讨论等，课题气氛活跃，受到师生的广泛认可，是培养应用型人才的重要教学方法[2]。我国对全日制工程硕士研究生的培养目标是“掌握某一专业（或职业）领域坚实的基础理论和宽广的专业知识、具有较强的解决实际问题的能力，能够承担专业技术或管理工作、具有良好职业素养的高层次应用型专门人才”。案例教学需要结合课程理论知识，把培养学生的科研创新能力和解决实际问题的能力作为教学案例设计的主要内容[3]，从知识的系统性、完整性、实用性等方面考虑，激发学生的好奇心和学习积极性[4]。目前，各级教育主管部门陆续出台文件，推动全日制工程硕士培养中的案例教学实践。笔者结合“快速模具制造技术”课程理论内容，从不同行业应用出发，设计了3D打印技术在模具领域的应用教学案例，并提出了教学案例的四步实施法。

二、案例设计背景

快速模具（Rapid Tooling，RT）技术是基于3D打印技术直接或间接地快速制造模具的技术，可以把创新设计快速推向市场，近年来成为研究和应用热点[5-7]。可以利用3D打印设备直接制造形状复杂的模具，也可以利用3D打印的零件原型间接地翻制模具[8，9]。RT技术作为一项系统工程技术，有效融合了机械、信息、控制、材料和激光技术等，已经被广泛应用到航空航天、医疗、汽车等制造行业之中。“快速模具制造技术”课程是近年来面向机械工程学科快速制造研究方向的研究生开设的专业课，要求学生了解快速模具的发展趋势，对各种快速模具的制作技术及应用领域有较全面的认识和理解，掌握几种典型的快速制模技术并能学以致用。“快速模具制造技术”课程要求学生在对基础理论进行掌握的同时还要有很强的动手能力，因此非常适合使用案例教学法。教师通过设计合理的教学案例，引导学生进行自主分析，理解案例中所包含的各种知识和相关技术;采用即学即用、理论与实践无缝衔接的教学方法，形成一个为解决问题，带着任务探索实践的学习氛围，最终达到教学目标[ 10 ]。

三、3D打印在模具领域应用的教学案例设计

（一）案例设计原则

1.以学生为中心。教学案例设计应以学生为中心，在学生掌握一定知识的前提下，以实践问题引导启发，收集相关知识的典型案例，通过案例的引入、知识点展开、知识点深入、问题的提出与问题的分析，将课堂教学设计做得更有针对性，从教学理念上激励学生主动承担任务，完成任务。把教学重点放在“学生学到了多少”上面，充分利用实验室软硬件资源，设计具有可操作性的案例，注重课程理论与工程实践的结合。

2.学以致用。应能保证学生通过“案例学习+项目实践”对所学知识进行灵活应用，基于项目的实践学习能使学生完全沉浸在一个真实、具体的问题中，学生自由组成小组合作学习，小组成员分工合作，共同寻找问题的解决方案，提高学生团队协作和解决工程问题的能力，让学生深刻领会团队的重要性，以及只有实践才能出真知的道理。

3.案例完整性。教学案例应由案例背景、案例目的（案例解决的工程问题）、理论依据、关键要点等部分组成，根据所学知识对这几部分进行总结，让学生能对案例的来龙去脉、分析解决问题的方法和思路等有全面的了解。

4.探究性学习。所谓探究式教学，是指在教师的指导下，学生运用科学的方法进行探究式学习的教学活动，是实践过程中的一种行之有效的教学方式。在案例教学中设计一系列开放式问题，学生分组讨论，教师负责引导启发。利用确认询问、结构化探究、指导性探究和公开询问等方式，拓展学生知识面的宽度，加深学生对课程内容理解的深度。

5.融合与发散思维训练。融合思维训练即训练学生使用多个单独的、离散的信息组合起来达成一个解决方案。发散性思维训练即训练学生从一个提示开始，然后对其进行批判性思考，以转向不同的解决方法，为了寻找最优方案，集思广益，对问题进行创造性分析。

（二）3D打印在模具领域的应用教学案例

1.3D打印直接制作快速模具案例——个性化透明保持器制作。（1）案例的目的和意义。牙齿结构虽然简单，但形状极为复杂，且具有独一无二的特点。基于3D打印技术制作个性化透明保持器案例，需要学生利用光学扫描、逆向建模、光固化3D打印和吸塑成型等知识，解决传统保持器制作过程步骤多、精度差的问题，达到缩短保持器制作流程、提高制作精度和效率的目的。（2）案例理论与实践结合。个性化透明保持器制作案例主要包括三个阶段：一是牙颌数模的获取与处理。学生通过光学扫描仪采集牙颌三维数据，利用逆向工程对原始数据进行预处理。这个阶段让学生把课堂上学到的光栅扫描、激光扫描理论知识与光学扫描仪的实际操作使用相结合，把逆向工程理论与逆向软件使用相结合。二是将光固化3D打印牙模作为吸塑模具。通过3D打印实践，让学生掌握3D打印离散堆积的工作原理，以及激光功率、扫描速度等工艺参数对打印质量的影响。三是个性化透明保持器吸塑成型。学生选择不同厚度的膜片，通过压膜机来完成保持器的吸塑成型，学生通过实际佩戴感知不同厚度的保持器对牙齿产生的力的大小;理解正压和负压吸塑成型的不同。