3D打印在校园

jssh365 · 发表于 2015-1-19 06:23:14

3D打印在校园文章来源：教育时报发表时间：2014-07-28 □ 本报记者苏江召通讯员张亚威/文图

　　哨子、洗发水瓶、机器零件……这些通常由工厂批量生产的产品，记者近日却在河南师范大学、黄淮学院，看到几名大学生通过3D（three-dimensional的缩写，就是三维图形）打印机打印了出来。
　　
　　如果不是亲眼所见，很难想象这些惟妙惟肖的产品竟然出自学生之手，让人不由得对3D打印技术产生了好奇。什么是3D打印？国内第一个自己制造出3D打印机的河南师范大学应届毕业生刘正阳给记者进行了一回“科普”：3D打印技术是近30年来兴起的一项集计算机、数控、新材料等于一体的先进制造技术，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。通俗地说，3D打印就像盖房子，你先按照需求设计好房屋图纸，准备好建筑材料，再根据图纸一步步地建造，砖一层层往上垒砌的过程，就是3D打印材料逐层堆积叠加的过程。
　　
　　作为一项前沿性的先进制造技术，3D打印技术正快速改变人们的生产生活，在医学、建筑、教育等领域发挥着重要的引领作用。目前，3D打印在教育教学、校园中有所应用，但在应用推广中面临着诸多困境，其未来发展前景令我们憧憬和深思。

　　体验3D打印的神奇魔力

棋子、耳塞、哨子、齿轮……在刘正阳的一个展示柜里，记者看到形态各异的塑料制品。刘正阳自豪地说，这些都是通过他制作的3D打印机“打印”出来的。
　　
　　为了满足记者的好奇心，刘正阳打开了3D打印机，掀开了其神秘面纱。从外观看，这个3D打印机高约0.7米，各个部件被许多电线缠绕和连接，看起来十分简陋。在机器右侧放置着“墨水”——成卷细细的塑料线，而机器的核心区由金属喷头和升降机组成。
　　
　　3D打印机是如何工作的呢？刘正阳将3D打印机连接电脑，并在电脑上打开了一个3D的哨子设计图。“先通过电脑辅助设计技术对哨子进行模型设计，再将建成的三维模型‘切片’成逐层的截面数据，并把这些信息传送到3D打印机上，就可以开始打印了。”刘正阳一边介绍哨子的打印流程，一边启动打印机开始打印。只见塑料原材料渐渐消耗，这些塑料原料进入到高温的金属打印机喷头中，被熔为液体一点点地流出，初步绘出一枚哨子的侧面。随着打印机喷头在预设的轨道上来回地穿梭，塑料就一层层累加。半个多小时，一个完美的天蓝色哨子活灵活现地出现了，引得一旁的记者看得目瞪口呆，赶紧上前摸一摸、看一看，以确定真假。
　　
　　“3D打印技术焕发着无尽魔力，令我着迷，一有时间我就摸索研究。现在我不仅打印出了哨子、棋子，还打印出了3D打印机的一些部件，组装了第二台3D打印机。”虽然已能打印出很多物品，但刘正阳仍在不断改良他的3D打印机。
　　
　　“头摆正，目光平视，这样便于我们扫描……”记者刚走到黄淮学院大学生创新创业园的二楼，就看到徐其岗带领的3D打印团队正在给一名学生进行人像扫描。徐其岗告诉记者：“对扫描的人像用电脑软件处理，生成切片后就可以打印出迷你版的逼真人像。”
　　
　　在学校为徐其岗3D打印团队提供的十几平方米的工作间里，摆放着矫健的红棕马、可爱的嫩黄小猴子、结构复杂的建筑模型、惟妙惟肖的迷你版逼真人像……普通打印机打印文稿很是方便，3D打印机却能根据需求打印出实物。那么，与普通打印机相比，3D打印机有什么不同之处？徐其岗告诉记者：“3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的‘墨水’是实实在在的原材料，3D打印机不需要纸、墨，只要将电脑中的三维模型数据传输给打印机，打印机就可以通过逐层增加材料，打印出三维立体实物。”
　　
　　6月19日，2014世界3D打印技术产业大会暨世界3D打印技术博览会在青岛开幕。在各个展厅，用3D打印技术打印出来的衣服、项链、机器零部件，还有应用在生物医学领域的牙齿、骨骼等，让人们充分领略了3D打印技术的魔力，吸引了越来越多的人尤其是高校师生加入到3D打印技术的体验和研究中。
　　
　　3D打印带来的梦想波动

“我平时爱做一些新奇的东西，喜欢科技发明与制作。网上关于3D打印技术的一篇篇报道，令我心潮澎湃，但市场上3D打印机动辄数万的售价又令我望而却步。2013年4月，我在网络上一个3D打印社区里看到一个利用手臂传动技术的低成本3D打印方案，于是就想着自己制造一台。”刘正阳边说自己的初衷，边向记者展示他先后制作的2台3D打印机，“第一台是一种以菱形手臂传动的特殊的堆叠式打印机，由于校准难度太大，控制算法不好写，后来又制作了一台标准的直线传动的堆叠式打印机。”记者发现，第二台3D打印机明显比第一台精致了许多。
　　
　　记者了解到，刘正阳学的是师范专业，从学习如何使用计算机编程到运用传感器进行数据采集，从一次次失败到不断地改进、调试、再改进，他制作第一台3D打印机用了4个多月的时间，而花费仅1600多元。“制造过程虽然艰辛，但3D打印机的制造成功，给我带来的不仅是制作技术的肯定，更带来了梦想的波动，让我的很多想法得到了实现。”刘正阳向记者分享了他的许多奇思妙想，并表示非常看好3D打印机的前景，很有可能从事这方面的工作。
　　
　　“我用3D打印机尝试着许多想法，看着一件件不同的物品被成功打印，我从事3D打印行业的梦想更加坚定。”徐其岗说，“我和我的团队在学校开设了3D打印照相馆，正在尝试将其推向市场，或许会成为毕业后的就业选择。”
　　
　　3D打印技术的神奇魔力，给人们带来了许多的畅想空间，越来越多的人关注、涉足、研究3D打印技术，许多学校的学生自发组成3D打印兴趣小组，有的老师也尝试运用在教学中。“在一次科普课上，我向学生讲述了3D打印机的神奇，孩子们非常好奇，都想亲眼见见实物是怎样被打印出来的。”郑州市第四十七中学教师袁帅告诉记者，“为此我向学校申请了购买3D打印机，让3D打印技术进课堂，以培养他们尊重科学、敬畏科学、追求科学的理念。我想，通过3D打印机的实际教学，一定会给孩子们插上梦想的翅膀。”
　　
　　3D打印在校园的应用之路

在学校为徐其岗团队提供的工作间里，记者还看到他们正在用学校购买的3D打印机在打印洗发水瓶。徐其岗告诉记者：“这个洗发水瓶是为一家洗发水公司设计的，是我们跟该公司的第一次合作。学校买的打印机比我们组装的打印精度高，所以我们用这台打印洗发水瓶。”记者将两台打印机打印出的产品做了对比，发现组装的3D打印机打出来的产品比较粗糙，可以看到清晰的条纹叠加的痕迹，而购买的3D打印机打印出来的产品更精细一些。
　　
　　“虽然组装的3D打印机打印精度低，易出现故障，但价格低，适宜学生摸索阶段使用。”黄淮学院国际学院软件教研室主任邱栋对徐其岗的3D打印团队很是支持，但也有许多无奈，“3D打印机对于开设模具、建筑、动画专业的院系来说，有着广阔的应用前景。就模具专业的学生来说，他们利用电脑软件设计模型，通过3D打印机打印出来后，可以根据实物对设计的模型进行更直观的修改。目前，按教育部的大学本科专业设置，还没有3D打印专业，所以学校还没有用于3D打印技术研究的专项经费。”
　　
　　目前，很多学校的3D打印兴趣小组都面临着这样的经费问题，购买的3D打印机速度、精度、效率不尽如人意，购买的打印材料局限性大，给他们的3D打印技术探索和研究带来了重重不便。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面，对3D打印技术的应用也只是涉及到模具模型、文化创意产品等少数领域，且大多用于创新设计，而不在于生产应用。
　　
　　据世界3D打印技术产业联盟秘书长罗军介绍，目前国内的3D打印产业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态，面临缺乏宏观规划和引导、研发投入不足、产业链缺乏统筹发展、缺乏教育培训和社会推广等一系列问题。而3D打印技术在校园的推广，更是面临着成本高、材料局限性大、产业环境不利等困境。
　　
　　虽然3D打印技术在校园的推广面临着如此多的困境，但3D打印技术对学校的科研、教学等所起的作用，越来越得到大家的认可。许多学校开始尝试把3D打印技术引进课堂，开展启发式教学，激发学生的求知欲。“在大四实习当老师的时候，我就把课本上的一些物理实验通过3D打印技术让学生参与进来，比如简单机械实验、测密度实验等，学生们的参与度很高。”谈及3D打印技术在教学中的应用，刘正阳兴致勃勃，“3D打印技术能更好地帮助教师进行直观教学。”
　　
　　前景广阔，急需培育应用市场3D打印技术具有制造成本低、生产周期短等巨大优势。发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品研发水平，提高工业设计能力；可以生产出复杂、特殊、个性化产品，有助于攻克技术难关；可以衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长，促进就业等。虽然3D打印在我国还处于初级阶段，暂时缺少政府针对性的扶植措施，整体产业体量还较小，但各个行业都非常认可3D打印技术给现有生产、经济、社会模式带来的改变，大都认为3D打印产业具有较为广阔的发展前景。
　　
　　其实，我国高校涉足3D打印技术的研究可上溯到上世纪90年代，从近几年开始，3D打印才被公众所了解。在清华大学教授颜永年看来，这与缺乏成熟的商业模式有关。颜永年说，3D打印产业依然沿用了传统工业企业商业模式的老路——生产设备卖设备，先把设备生产出来、推销出去，而不管市场和用户的需求。而3D打印技术在教育领域的发展，要特别注意解决工艺、材料、人才等问题，要更加注重产品的应用。
　　
　　目前，世界3D打印技术产业联盟、中国3D打印技术产业联盟等组织正在着手搭建3D在线商务平台，利用云端服务理念，整合联盟成员资源，搭建社区服务平台，形成合力。这对3D打印技术在教育领域的推广起到了很好的技术支撑。
　　
　　如何进一步推动3D打印技术在校园中的应用和普及？南昌大学材料科学与工程学院教授黄笔武认为，要将3D打印技术纳入相关学科建设体系，加强教育培训，培养3D打印技术人才。他说：“可以依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训，并在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。”
　　
　　“任何一种科技，只有将其适时地转化为产业生产，才能够好地推广。我校依托科研成果，积极对3D打印技术进行产业化运作。”邱栋说，“徐其岗3D打印团队在校园开设3D打印照相馆，并和公司合作设计洗发水瓶，就是一个初步的尝试。但现在的应用市场还很狭窄，需要政府及相关部门加大科技扶持力度，加强对3D打印产学研合作的支持，为校企搭建服务平台，培育好3D打印技术的应用市场，来推进3D打印产业的发展。”