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摘要：3D打印通常使用数字技术材料打印机完成。它通常用于模具制造和工业设计领域的模具制造，并逐渐用于某些产品的直接制造。技术的普及与推广，需要大量掌握技术的人员应用在各个领域。高校是培养人才主要渠道，因此高校这一领域的课程非常重要。
关键词：3D打印；正向工程；逆向工程；扫描仪
本文引用格式：赵立普.3D打印技术普及下的课程设置探讨[J].教育现代化，2019，6（22）：239-241.
3D打印是一种基于数字模型文件的快速原型制造添加剂制造技术，使用PLA、ABS或粉末、金属、塑料和其他沾合材料，通过逐层打印构建对象是智能制造的重要组成部分，被认为是第三次工业革命的核心技术。目前3D打印广泛应用于在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗、教育、地理信息系统、武器装备等领域。在《中国制造2025》计划中，3D打印和高级数控机床也被列为突破的关键领域之一。2015年2月28日,国务院三部委联合发布了全国增产制造发展促进计划，（2015-2016）。3D打印技术发展计划被列入国家战略高度，特别注重3D打印教育的推广和普及以及技术人才的培养。
3D打印技术也可以在大学教学和学生的技能提升中发挥很好的作用。在专业设计中，创新型学习者可以学习和实验课程内容，如建筑学、医学、生物学、汽车工程、绘画、平面设计和历史考古学。因此，对于工程院校的机械设计和工业设计等，3D打印机可以直接创建原型，让学生们以立体三维形式评估他们的设计；可以制作任何复杂的模型，可以喷砂和绘制为生产模型的复制品。同时，可以通过逆向设计，将没有原设计数据的产品进行改进，然后打印成型进行评估。3D打印技术通过与技术的合作实现正反设计[1]。所以在课程设置上，内容包含：前瞻性设计软件学习、逆向设计软件（扫描仪）学习、3D打印技术理论学习、打印机的组装和调试、打印机的操作和打印机产品，以下以几个方面的学习内容及课时做一介绍。
一 3D打印技术的特点与教学应用优势
学校开展学科教学活动需要以社会的专业技术需求为能力培养导向，在当前的社会领域，3D打印技术具有广泛的应用空间，生产制造环节应用3D打印技术能够大幅降低产品的制造成本，提升生产环节的作业效率，同时可以最大程度减少生产环节造成的资源浪费，改变传统产品生产制造模式，为个性化设计、个人定制服务提供可能。应用3D打印技术开展课堂教学活动，不仅需要学科专业知识，还需要应用计算机制图技术、远程数据传输技术、激光扫描技术、材料融化技术等内容，将传统教学模式改变为电子模型图到实物的制作和实践过程，某些课程开展专业技术实践具有一定局限，3D打印技术则能够突破传统操作课程的局限，给予学生更多进行专业技术实践的空间和平台，学生能够对产品设计和产品制造有更为直观的体验。
由于学生对于社会领域的产品制造普遍缺乏直观体验，传统教育模式无法实现学生的实践活动与社会生产制造行业的发展实现与时俱进，将3D打印技术应用于学科的教学活动中，可以将课堂教学与社会生产实践紧密结合，保证学生的专业技能实践与社会领域的专业技术需求紧密衔接，以提升学生的专业实践能力。
二课程内容
为实现3D打印技术的教学价值，教师需要结合3D打印技术的技术应用内容、契合3D打印技术的技术应用需要设计教学内容，其中包括正向设计软件的学习、逆向设计软件的学习、3D打印机的组装与调试、产品打印等内容，具体内容如下：
（一）正向设计软件的学习
一般工业产品开发始于确定预期功能和规格，构思产品结构，然后进行设计、制造和测试每一个组件，整个开发过程通过装配，性能测试等完成。每个组件都有设计图，并根据按确定的过程文档进行处理。整个开发流程为:"构思-设计-产品"，此类开发工作称之为正向工程，即常说的正向设计。正向设计工程主要是创新与设计。常用软件有：UG、PRO/E、solid works等等。软件的学习主是关于主要是关于产品建模、装配、模拟和工程图纸。同时，根据不同的专业，设置项目的内容可有所不同。如机械工程、机械设计专业可以工业产品为例来设计，如齿轮、轴承、联轴器等，艺术专业可以以人体、建筑、工艺品等作为项目的内容。用于不同教学内容的学习软件的重点和时间可以变化。课时可以大致安排在32课时。
（二）逆向设计软件的学习
逆向工程(又称逆向技术)，是产品设计技术再现过程，是对目标产品的逆向分析和研究，为了扣除和推导出产品加工流程，组织结构、功能特征和技术规格设计要素，生产功能相似但不完全相同的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是直接从成品分析中推导出产品设计原理，而无需轻易获得必要的生产信息。
逆向工程被广泛应用于新产品开发和产品改型设计、产品模仿、质量分析和测试。逆向工程主要适合单件、小批量的零件制造，可缩短产品的设计和开发周期，加速产品的生产。更新速度和降低开发新产品的成本和风险加速了产品的设计和系列化。逆向设计需要先把产品进行扫描，形成产品外形数据，再通过软件进行处理和产品改进[2]。
（三）三维扫描仪的学习
三维扫描仪（3D scanner）是一种科学仪器，用来检测和分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）和外观数据（如颜色、表面反照率等）。收集的数据通常用于执行3D重建计算，以创建虚拟世界中的实际对象数字的模型。这些模型具有广泛的应用，包括工业设计、探伤、逆向工程、机器人导引、地貌、在其应用中可以看到医学信息、生物信息、犯罪识别、数字文物收藏、电影制作、游戏创作素材等。3D扫描仪的目的是创建对象几何表面的点云，可用于插值对象表面形状，点云更密集可以创建更精确的模型（此过程称作3D重建）。三维扫描仪分类为接触型和非接触型两种，接触型三维扫描仪透过实际触碰物体表面计算，如三坐标测量机（CMM,Coordinate Measuring Machine）即典型的接触式三维扫描仪。非接触可分为主动扫描与被动扫描。主动式扫描是指物体投射附加能量，并且能量的反射用于计算三维空间信息。常见的投射能量是普通可见光、高能束、超音波与X射线，而被动扫描器本身不发射任何辐射线（如激光），相反，它的测量来自待测物体表面的辐射以达到所需效果。3D扫描仪的主要功能是在反向产品设计之前执行产品信息数据。三维扫描的学习比较简单，安排8个课时即可。
（四）逆向软件的学习
逆向工程软件功能通常专注于处理和优化密集扫描点云，以生成更常规的结果点云，通过规则的点云可以应用于快速原型制作，或者可以基于这些规则的点云来构建出最终的NURBS表面，以输入到CAD软件中以用于随后的结构和功能设计工作。它是物理CAD模型的重建和最终产品的研究。狭义上讲，三维逆向技术是将物理模型转化为设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化。主流应用的四大逆向工程软件：Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm、Ug。学习内容可以根据不同专业进行设置，主要选择一些不规则曲面的零件。如汽车车灯、外壳、手电钻外壳、头盔等。课时安排32课时即可[3]。
三 3D打印机的组装与调试
（一）3D打印机的组装
3D打印机由三部分组成：电子部件、机械部件和软件部件。分别介绍如下：软件部分：简而言之，3D打印机是通过软件将3D模型划分为无限多个层，然后生成无限数量的打印坐标命令以供机械部件执行。机械部分：机械部件是用于执行打印命令的定位部件，以及由马达、支架、同步轮、传送带等组成的XYZ空间轴，由此定位由软件部分产生的打印坐标。电子部分：电子部件可以理解为软件和机械部件之间的桥梁，主要用于软件生成的指令和数据缓冲器，电机控制、温度控等，软件生成的坐标命令由电子部件执行，以控制机械部件进行精确打印。
通常通过购买备件来组装打印机。大致包括以下步骤：框架总成，轴承和轴电机、X轴（Y轴、Z轴）、Z轴丝杠、轴限位开启安装、热床安装、挤出头安装、显示器安装、主板安装、各排线安装、电源连线安装、主板排线、进线管安装、进料架安装。安装过程中的注意事项在课程提纲中详细说明。
（二）打印机的调试
坐标轴限位开关的调试：确保X、Y轴坐标原点和限位开关之间在打印机的打印范围，Z轴的限位开关的调试确保打印头与热床之间的间隙可以通过调整热床的弹簧达到合理间隙（避免出现弹簧已达到最放松状态，打印头与热床间隙还是过大或弹簧已达到压紧状态，打印头与热床间隙还是过小）。间隙的大小以打印头与热床之间一张A4打印机厚度为宜。
检查电源及排线是否正确：检查电源线电极是否正确，防止发生危险，检查排线是否合理，确保打印过程中排线不会产生干涉，影响坐标轴的运动。
同步带的调试：打印长方形的盒子样品，检查在X、Y轴的运动是否有抖动，融丝的直线度是否符合要求，否则需要对同步带进行松紧的调整及两轴螺栓两端螺栓松紧程度调整到一致[4]。
（三）产品打印
切片软件的学习：使用电脑导入建好的三维模型，设置切片参数（打印温度、层高、填充密度、支撑类型等）形成切片文件，用SD卡导入打印机，进行打印。打印过程中特别是开始时，一定注意打印头与热床之间的间隙，太大，不容易粘牢，间隙太小，不易出丝。打印机的组装、调试及打印安排16课时即可。
四 3D打印技术引入课堂需要注意的问题
（一）防范设备故障问题
课堂教学活动中应用打印机，可能出现打印机喷头堵塞等问题，教师需要对3D打印技术的应用原理有较为深入的了解，在出现设备故障问题时，能够自主剖析3D打印机出现设备故障的原因，从而针对性解决问题。3D打印技术融入到课堂教学领域，需要具备专业技术支撑，部分学校自身具备专业技术，能够进行自行的设备和技术维护，也有部分学校不具备专业技术基础，则需要相应厂家进行技术支持。
（二）重视课程进度把控
诸多教师期望能够在课堂教学领域应用3D打印技术进行教学实践，同时其新颖的教学模式也能够受到学生的广泛认可，但是其技术应用在课堂教学领域也具有一定的局限性[5]。由于3D打印技术的应用需要涉及到应用建模软件进行作品设计、应用切片软件进行切片，还要对需要打印的作品进行相应的参数填充，保存为G代码文件，进而拷贝到电脑中开展打印作业，且打印过程相对较慢，过程繁复、耗费时间较长，有些精细化教学项目在课堂教学时间内甚至无法完成。教师开展教学活动需要以课堂教学为基础，需要教师能够对课堂教学过程进行严格把控，保证课程教学目标的实现。很多教师为提升学生的学习兴趣，在课程教学领域引入3D打印技术，但是往往又会在教学活动中对繁琐的操作过程、拖沓的教学节奏望而却步。为满足教学实践的训练目的，教师可以将3D打印技术课程形成项目化教学模式，按照不同类型、不同教学目的设定为一个教学周期，此种方式能够使学生将技术实践延伸到课下范畴，调动学生进行技术学习和实践的自主性，同时也可以避免课堂教学节奏拖沓的情况出现。
（三）持续提升教师的专业素质
课程教学需要将教师课程教学的主导，为实现高水准的技术教学，需要教师能够娴熟掌握3D打印技术，不仅具备3D打印机的应用能力，同时还需要其能够具备工业设计、计算机技术等专业技术，教师为开展有效的课程教学活动，要具备持续的自我提升意识，不断迎合3D打印技术的教学需要提升个人专业综合素养，真正让学生能够在课堂教学活动中实现“学有所长”[6]。
六 总结
随着3D打印技术的普及与推广，它广泛应用于工业、建筑、医学等高技术学科领域，所以在高校设置与3D打印有关课程是非常必要的。高校设置课程主要以包括软件学习、3D打印机组装与应用，课程开设配置较简单，主要是计算机机房配置电脑和购买打印机的零配件，总计88课时，当然学生也可以在课余时间加强知识与技能的学习与提高。课程可以分学期分课程进行，也可以成为一门综合课程进行学习，为学生在以后的机械设计及加工的职业生涯上打下较好的基础。
参考文献
[1]何志明.3D打印技术的设计价值研究[J].商情,2018,(51):191-192+194.
[2]李梓昕.3D打印技术研究现状和关键技术研究[J].中国科技投资,2018,(33):206.
[3]王玥霁,程莎莉,刘敬露,等."3D打印"工程实训课程混合式教学模式改革研究[J].科教文汇,2018,(28):65-66+69.
[4]刘瑀怡.3D打印技术对传统工艺的影响[J].大众文艺,2018,(22):65-66.
[5]李勇,巴发海,许鹤君.3D打印技术的发展和挑战[J].理化检验-物理分册,2018,54(11):799-804+825.
[6]黄果.3D打印特色课程研究——以3D打印社团校本课程为例[J].软件导刊·教育技术,2018,17(10):52-55.
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