摘要：3D打印技术是一项新型快速成型技术，3D打印机容易掌握、使用方便，将其应用到传统的模具教学当中，势必会带来更加直观的效果。文章对此观点进行了论述，对其在模具教学中的应用进行了探索研究。

关键词：3D打印；模具教学；应用研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）12-0146-02

随着现代社会生活节奏的加快，制造业市场环境发生了很大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。3D打印技术正是应此而快速发展起来的一项快速成型技术，目前在很多领域已得到了应用。在模具制造领域，3D打印常被用于产品的开模，节约产品到市场的开发时间，但由于存在材料等方面的制约，目前仍没得到大范围的投入使用。但是，把3D打印技术用于模具教学中，增加教学互动，强化知识理解，提高学习乐趣，是一项值得研究的有意义的事情。近年来，很多的高教专业在摸索着创新教学模式，把3D打印系统与教学体系相整合。我校今年引入多台桌面3D打印机，尝试将此技术引入教学实践中，并取得了一些效果。

一、3D打印概述

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它以“叠加式制造”著称，运用激光束融化金属或塑料粉末，以塑造高度复杂的形状。3D打印机操作简单，只需将建立好的三维模型输入到3D打印机的电脑中，就能够进行打印，这也是其比传统制造业更便捷的地方。

运用3D打印技术进行生产的主要流程是应用计算机三维软件（UG、Pro/E等）设计出立体的样式加工，然后保存成“.stl、.obj、.thing”等格式，通过MakerWare软件将绘制好的模型转换为3D打印机可以识别的代码，通过USB接口或者SD卡传递给3D打印机，再通过加热PLA（绿色环保生物降解材料聚乳酸Polyacticacid）细丝，使融化后的材料通过喷嘴喷出，打印结构的第一层，然后是第二层、第三层……每一层逐渐叠加，最后打印出成型的产品[1]。其工作原理示意图见图1所示。

目前，在教学中应用最普遍的是SLA和FDM两种打印技术。SLA主要用于制作模型，在国外大学教学领域上用的比较广泛。它的优势有：光固化成型法成熟度高，由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具，降低错误修复的成本。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，可联机操作和远程控制。存在的缺陷有：系统造价高昂，使用和维护成本过高，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。预处理软件与驱动软件运算量大，软件系统操作复杂，入门困难；立体光固化成型技术被单一公司所垄断。FDM主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，目前市场上采用FDM技术较为普遍，相对比较便宜，一般在4000～6000元之间。FDM的优势有：操作环境干净、安全，可以在办公室环境下进行。表面质量较好，易于装配，可以快递构建瓶状或中空零件。原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低。可选用多种材料，如可染色的ABS和医用的ABS、PC、PPSE等，材料利用率高。存在的技术缺陷有：精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或者精细件时不如SLA技术，最高精度0.127mm，与截面垂直的方向强度小，成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。

二、3D打印机在模具教学中的应用

在教学过程中，教师要善于用好各种媒体，要学会并善于引用一些先进技术来弥补各种直接经验的不足，变抽象为具体，使教学活动更高效。面对第三次工业革命浪潮，教育需要更多地让孩子们接触、感知和体验未来的新兴技术，培养学生的创造性思维能力，3D打印机技术的普及为学校的创新教育提供了新的视角和技术支持。

1.课堂教学中的应用。3D打印技术在本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，它与教学的融合势在必行。目前绝大部分模具设计课程的教学，几乎使用powerpoint或flash软件来制作多媒体课件，通过动画、图形、声音、视频的演示，加上教师深入浅出的讲解，学生会在不知不觉中学到知识。这样学生可以在原有认知结构和生活经验的基础上，认同教师的概念和思维方式，并内化到自己新的认知结构中，形成自己新的概念和思维方式[2]。随着3D打印机的出现，引入该项技术，将课程中涉及的典型模具零件打印展现，对模具的教学能够起到更好的辅助。如图3所示为3D打印出的鞋模模型，教学中展示会使学生对模具有更直观的认识，取得更好的教学效果。

2.课程设计中的应用。模具设计课程通常要进行为期1～2周的课程设计，教师辅导学生使用合适的设计软件，如Pro/E、UG，使用计算机进行模具设计，充分发挥学生的主体作用，教师负责答疑，通过一两周的课程设计使学生加深对课堂上教学内容的认识，达到融会贯通的目的[2]。应用3D打印机后，可以安排学生分组设计、分组打印，使学生能够真正见识到自己设计的模具零件打印成型的过程，更加提高了学生的学习兴趣，并能提高设计水平。

三、3D打印技术在模具教学中的应用效果

3D打印应用于教学，主要分为3D造型设计、3D打印、3D打印后处理、性能试验及评估等环节。通过一系列环节的锻炼，提高学生的创意能力、规划能力、动手能力、实践能力和团队合作能力，深化实验教学的改革，为培养更多的复合型技术人才打好基础。从教学实践的过程来看，取得了如下效果。

1.采用3D打印技术辅助教学后，学生对于模具的基本组成结构能够进行更直观的观察，对于模具的结构有了更深的认识。

2.采用3D打印技术辅助教学后，学生分组讨论问题更加热烈，对于模具的学习兴趣有了进一步的提高。

3.采用3D打印技术辅助教学后，学生不仅熟悉3D打印机的操作方法，而且对于先进制造技术有了更多的了解，并产生了浓厚的兴趣。

4.3D打印机可以提高学生在掌握技术方面的优势，提高学生的科技素养。

四、3D打印教学中注意的问题

1.由于受材料的限制，3D打印机主要使用塑料作为打印材料，与真正的模具材料存在很大的差别。在教学过程中，教师注意对此方面要做出提示。

2.模具尺寸的限制。教学用的3D打印机多为台式打印机，尺寸较小，能够打印出的产品尺寸受到限制。

3.模具精度的限制。3D打印机由于分层制造存在“台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差。

五、结论

教育需要与时俱进，尽可能让学生接触、体验、掌握3D打印这一门新兴技术，从而发展学生的空间思维能力和创新思维能力，将会对学生的未来产生重要影响。实践证明，在模具设计和制造课程中使用3D打印技术是可行的，在教学的过程中也获得了一些效果。但是不要过多依赖3D打印机，其只是一种辅助教学手段，教学过程中最重要的仍是正确处理多媒体和粉笔、黑板、普通教具、语言表达之间的关系，将模具设计方法进行很好的传达。

参考文献：

[1]乔瑞丽，李海林.桌面3D打印技术在模具教学中的实践[J].模具制造，2015，（1）.

[2]张艳华.压铸模具设计课程多媒体教学方法的实践与探索[J].读书文摘，2013，（9）.