3D打印开放式教学平台在毕业设计中的应用

戴圣伟，曾维阳，侯赋军，王炎平

（1.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲；2.湖南化工职业技术学院， 湖南 株洲）

一 引言

3D打印技术作为一项对传统制造业具有颠覆意义的技术，在世界范围内受到广泛关注。其3D打印毕业设计作品流程包括：基于CAD、3DMAX等设计软件设计立体模型，并通过Cura3D打印切片软件进行逐层打印成品。作为制造业的创新制造形式，3D打印及其教育受到了相关部门高度重视，3D打印及其教育被列为突破发展的重点领域。在国务院关于3D 打印增材制造的专题讲座后，李克强总理表示要在国内多个制造业行业加速3D 打印的装备和运用，为3D打印在本科中的教学应用指明了方向[1]。

二 3D打印开放式教学平台应用分析

（一） 3D打印在大学生毕业设计中的应用现状

为了了解3D打印毕业设计作品情况，对湖南工业大学6个学院18个专业的毕业设计中3D打印的应用情况进行了调查。在18个专业中，要求学生毕业设计使用实物的专业有包装工程、印刷工程、高分子材料与工程、产品设计（包装）、产品设计（产品）、服饰、工业设计7个专业。其中，包装工程共有173人，毕业设计做出实物的有104人，印刷工程共有165人，毕业设计做出实物的有99人，高分子材料与工程共有82人，做出实物的共有49人，产品设计（包装）共有120人，毕业设计学校要求做出实物的有120人，产品设计（产品）共有60人，毕业设计学校要求做出实物的有60人，服饰共有50人，毕业设计学校要求做出实物的有50人，工业设计共有80人，毕业设计做出实物的有40人。实物需求表如表1所示。

表1 实物需求表

在包装工程、印刷工程、高分子材料与工程、产品设计（包装）、产品设计（产品）、服饰、工业设计7个专业中，在毕业设计中使用3D打印的有产品设计（包装）8人，产品设计（产品）10人，服饰1人。3D打印应用表如表2所示。

表2 3D打印应用表

（二） 3D打印在大学生毕业设计中所面临问题

通过与湖南工业大学教师、大三学生、大四学生、研究生交流，得知3D打印在大学生毕业设计中使用较少的原因：

（1） 3D打印成本高。市场上3D打印一件毕业设计作品普遍需要2500元以上，这给学生带来了经济负担，许多学生在进行毕业设计时，都会避开这一雷区。而学校考虑到实物成本，也为了减少学生经济负担，学院实验室尽可能提供材料，但是一般不超过200元。而对于成本较高的毕业设计作品，往往降低了要求。

（2） 3D打印教学难。学校没有专门的3D打印课程，也没有专门的3D打印教学平台供老师教学。毕业班同学只能通过网络资源与书本知识自学来进行3D打印毕业设计作品。而毕业班同学自学3D打印，往往会存在学习时间紧张，课程质量低、知识和应用无法很好转化的问题。

（三） 3D打印开放式教学平台的优势

针对3D打印在大学生毕业设计中的应用现状与所面临问题，应用3D打印开放式教学平台具有以下优势：

（1） 降低3D打印成本。该平台配备3D打印设备，毕业班同学只需支付耗材费即可实现3D打印毕业作品。打印1件毕业作品所需费用降低到2000元以下，减少了学生的经济负担。

（2） 提供3D打印教学。该平台提供适用于毕业设计的3D打印教学，使学生的学习周期缩短，并且能很好地将3D打印知识应用在毕业设计中。

（3） 扩大毕业设计选题。该平台提供3D打印设备和3D打印教学，为大学教师进行毕业设计选题提供条件，大学教师进行毕业设计选题的范围扩大，毕业设计采用实物模型的情况增加。

三 3D打印开放式教学平台在毕业设计中的应用

针对3D打印在毕业设计中应用较少，毕业设计作品不能很好地表示实际的设计应用以及3D打印毕业设计作品在大学生毕业设计中应用所面临的问题，设计了 3D打印开放式教学平台，以下将从3D打印开放式教学平台组成、3D打印开放式教学平台开放模式、3D打印开放式教学平台教学来介绍3D打印开放式教学平台。

（一） 3D打印开放式教学平台组成

3D打印开放式教学平台由3D打印设备，3D打印教学平台和专业指导人员构成，如3D打印开放式教学平台的组成见图1所示[2-6]。

图1 3D打印开放式教学平台的组成

（1）3D打印设备。3D打印开放式教学平台的3D打印设备包含3D打印扫描仪和3D打印机。3D打印机采用框架式打印机，既能满足降低3D打印成本的需求，又能减少3D打印教学要求。

（2）3D打印教学平台。3D打印教学平台的教学目标是使毕业班学生掌握3D打印基本技术并把它运用到毕业设计中。在进行3D打印教学的同时辅以毕业设计所需的专业知识来更好地促进毕业班学生完成毕业设计实物作品。

（3）3D打印指导人员。3D打印开放式教学平台指导人员由不同学科背景的大学创业毕业生组成。其拥有的3D打印毕业设计作品经验积累，能对毕业设计所涉及的专业学科知识以及3D打印技能进行指导。

（二） 3D打印开放式教学平台开放模式

3D打印开放式教学平台开放模式是3D打印设备向外开放的一种模式，通过3D打印设备向毕业班学生开放，来减小毕业班学生经济负担。学生只需承担耗材费而不用承担额外费用。通过学生提出3D打印毕业设计申请来合理地分配3D打印设备进行3D打印教学以及3D打印毕业作品，有闲置的3D打印设备则同意申请，如果没有闲置的3D打印设备则先满足3D打印毕业设计教学的要求，当满足3D打印毕业设计教学的要求后，再同意毕业班学生3D打印毕业设计作品申请，从而实现资源的有效运用。3D打印资源分配图如图2所示[7-11]。

图2 3D打印资源分配图

（三） 3D打印开放式教学平台应用

3D打印开放式教学平台教学，以大学教师为主，指导人员为辅，大学教师负责3D打印毕业设计全过程包括确定毕业设计课题、对毕业设计项目进行解读、指导学生进行毕业设计以及组织学生进行毕业设计答辩，而由指导人员则在毕业班学生对毕业设计的选题分析、3D打印实物设计进行指导，通过分享自己3D打印毕业设计作品的经验以及3D打印使用技巧培训对毕业班学生使用3D打印技术完成毕业设计作品提供帮助，3D打印开放式教学平台教学过程图如图3所示。

图3 3D打印开放式教学平台教学过程图

四 3D打印开放式教学平台在毕业设计中的应用成效

设计的3D打印开放式教学平台于2017～2018年承接相关专业大学生毕业设计作品打印与设计指导数十件。为说明3D打印开放式教学平台在毕业设计中的应用成效，以3D打印毕业设计作品在毕业设计作品中的增长为例，3D打印毕业设计作品情况如图4所示。可以观察到毕业设计使用3D打印的组数大幅度增加，说明了3D打印毕业设计作品普遍得到接受。

图4 毕业展3D打印毕业设计作品情况

在本次毕业设计展中，首先由大学教师组成的毕业设计教学组组织毕业设计工作，根据培养学生综合运用所学理论、知识和技能解决实际问题能力的指导思想，确定毕业设计课题。毕业班学生在拿到毕业设计课题后，大学教师以及指导人员对毕业设计项目进行解读和分析并指导毕业班学生进行3D打印毕业设计作品设计。通过大学教师和毕业班学生指导讨论、指导人员和毕业班学生指导讨论，使毕业班学生找到毕业设计方向后，大学教师再进行专业知识的毕业设计设计指导、指导人员指导毕业班学生使用3D打印技术进行3D打印毕业设计作品。并将各个3D打印毕业设计作品按照设计指导思想组合在一起，形成一个具体的应用系统，来说明如何解决实际问题，并在毕业设计展中展出，供企业以及大学教师进行交流评价。

五 结语

3D打印开放式教学平台在毕业设计中具有重要作用，构建了专业知识、3D打印技能和实践运用的桥梁，是毕业设计教学的一种创新教学方式，3D打印开放式教学平台使3D打印在毕业设计教学中大量应用成为可能。效果表明，学生能较好地使用3D打印完成毕业设计实物模型，同时不会有过重的经济负担。3D打印开放式教学平台在毕业设计中的应用扩大了大学教师进行毕业设计选题的范围，对毕业班学生通过毕业设计3D打印实物来展示学业成果以及对培养创新应用型人才具有重要的意义[12-15]，为毕业班学生3D打印实物完成毕业设计指明了方向。