三维打印技术应用研究

三维打印技术应用研究（精选十篇）

三维打印技术应用研究 篇1

1 三维打印技术概况

三维打印也叫做3D打印, 是一种快速成型技术。以数字模型文件为基础, 通过软件分层离散和数控成型系统, 利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行堆积, 通过逐层打印的方式来构造物体。与传统制造业相比, 三维打印大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺流程、不需要过多的人员和设备, 直接从计算机三维模型数据中便可生成零件, 简化了生产程序, 提高了工作效率。三维打印包括两部分:一是模型设计, 一是打印过程。即先通过计算机创建数据模型, 将三维模型逐层的切片, 通过3d打印机逐层打印出立体模型。

2 三维打印技术的发展

(1) 制造业:三维打印让制造业变得效率更高、更加简单。只要将模型的三维数据上传到计算机上, 通过三维打印, 将所有的部件进行制作, 然后再把这些部件组装在一起。

(2) 生物医学工程:生物医学是重要的科学研究领域, 利用三维打印技术, 在计算机的操作下, 运用堆积成形原理, 能较容易地制造出细胞载体框架, 实现人体器官的合成和再造。

(3) 文物修复:文物专家根据文物碎片制作三维模拟图, 然后将其整合, 做出了原物的三维模型。通过对比能够快速准确的找到缺失的部分, 通过三维打印机打印出来。

(4) 微型机电加工:传统的加工技术适合平面加工, 难以加工出复杂的三维结构, 若将需要成形的材料制成打印头的悬浮液, 利用三维打印技术能够打印出复杂三维结构的微器件。随着三维打印技术成形精度的不断提高, 其必将在微型机电加工领域有着广泛的应用前景

3 三维打印技术在装备教学中的应用

(1) 装备教学中存在的问题

第一, 传统教学装备无法满足教学需要。利用实装进行教学训练, 只能直观地展示装备的外部结构, 进行操作使用训练。对于装备的内部结构和工作原理, 只能通过理论讲授和一些文字图片进行描述, 无法深入到装备内部中去, 对于一些细小繁多的装备部件, 学员掌握难度较大, 容易混淆记忆, 学习只停留在表面。

第二, 装备器材数量过少。在实装教学过程中, 由于教学的装备数量有限, 学员在学习过程中, 不能做到理论与实际相结合, 脱离了装备教学, 实装教学效果不明显;同时, 在实装教学训练过程中, 对于一些结构和连接关系, 需要对装备进行分解, 在使用维护时, 需要对装备进行分解装配, 不可避免地会出现磨损、损坏现象, 加大教学训练成本。

(2) 三维打印技术的应用

三维打印教学主要是培养学员创新和实践能力。学员可以边做边学, 通过对三维模型的建立, 可以帮助学员更好地理解装备的结构和连接关系, 在制作过程中, 提高学员的学习兴趣。课堂上多以启发诱导、提问讨论等方式上课。在教员的引导下, 学员通过小组讨论和互助的方式来学习, 充分调动积极性。录制一些软件建模视频和打印机操作视频, 方便学员对所学知识进行复习, 加深对所学内容的理解和掌握。特别是一些学员, 由于基础不同, 在传统理论教学中学不好, 但使用设计工具和三维打印产品时也许能做得很好。所以三维设计和三维打印对拥有"视觉"或"触觉"学习方式的学员有很大的吸引力。

学员在学习过程中可分为三个阶段:一是学习三维建模软件, 其中Solid Works软件是一个很好的选择。该软件界面明了, 操作简单, 建模速度快, 非常适合初学者使用;二是学习将模型转换为3D打印的标准格式;三是学习在3D打印中进行精度设计、打印大小设定, 打印出装备模型。

(3) 三维打印技术在装备教学中的优点

将三维打印技术与装备教学相结合, 可以解决传统装备教学的诸多问题。

第一, 由于教学过程中装备器材数量少, 应用三维打印的形式, 突破传统的装备教学理念和训练器材数量的限制, 可以先进行虚拟教学, 待熟练掌握后, 再去实装上进行操作, 即可以检验学员的学习效果, 也避免了因学员不熟悉而带来的安全隐患。

第二, 传统的装备部件修理需要通过机械加工制备零件, 耗费的时间和精力多, 同时零件精度达不到要求。通过三维打印技术, 能够实现虚拟制作代替传统的加工制作, 实现快速制备零部件, 提高工作效率。

第三, 通过对零件进行三维建模, 不仅能够加深学员所学的内容, 同时将将专业基础课与专业课结合起来, 实现专业基础课为专业课服务, 专业课检验前期所学内容的良好循环, 而三维建模本身也是一个加深对装备部件认知的过程, 能够激发学员的学习热情, 为学员的交流和创新提供一个良好的平台。

4 结束语

利用三维打印技术的特点, 探索将三维打印技术在装备教学训练中的应用, 促进实装教学能力的发展, 同时能增强学员的自信心, 激发学员的创造力和创新性, 为装备教学提供了新思路。

摘要：三维打印技术作为一种新兴的技术已逐渐受到广泛的关注与重视, 在详细介绍三维打印技术工作原理和发展前景的基础上, 文章介绍了三维打印在装备教学过程中的一些教学体会和应用研究。

关键词：三维打印,装备教学,研究

参考文献

[1]刘勇, 段宝才.工程类高职生实践能力培养的思考[J].中国职业技术教育, 20l O (19) :75-76.

三维打印技术应用研究 篇2

摘 要：三维打印技术（又称3D打印技术），即快速成型技术，是以数字模型文件为基础，应用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆积打印的方式来构造物体的一种技术，其发展势头迅猛，已应用于如航天航空、建造、汽车、地理等诸多领域，就医学领域而言，目前多集中于临床手术方面的应用，基础医学教学则相对较少，人体解剖学作为医学的一门重要基础课程，如何将三维打印技术融入到解剖学教学中是值得关注的问题，该文正是基于这一特点进行相关探索与研究。

关键词：三维打印技术 人体解剖学 教学与应用

中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0128-02

三维打印技术（又称3D打印技术），即快速成型技术，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黏合材料，通过逐层堆积打印的方式来构造物体的一种新型技术[1]。其被业内称之为“第三次工业革命”，并迅速应用于各个领域。作为医学领域，其也涵盖诸多学科，三维打印技术已应用于其中部分学科[2]，人体解剖学作为一门基础学科，具有一定的特殊性，如何将三维打印与解剖学教学有机结合起来是目前和今后所面临的一个新任务。三维打印技术在医学领域中的应用

三维打印技术已进入快速发展时期，技术越来越趋于成熟，精度越来越高，并已应用到诸多领域，如工业、航空、制造、建筑、考古等领域均有其身影[3-5]。在医学领域当中，三维打印技术已直接应用于临床为患者服务，如在脊柱外科领域中，对畸形矫正、假体设计、导航模版制作、骨移植物、手术器械和外科实训等方面，并真正做到了“个体化”原则；在整形外科中，国外学者利用其对下颌骨骨组织缺损进行修复，做到精确性高、手术时间短、口腔功能恢复良好及患者对术后外观满意度高等优点[6]，并广泛应用于临床已成为一种标准化治疗手段[7-8]；在肿瘤、血管外科及器官移植方面中，国外学者[9]利用高通量的自动化细胞打印系统以癌细胞和正常成纤维细胞为原料在Matrigel胶上打印出二者的3D共培养模型，在打印过程中它们保持细胞活性，并在接下来的过程中继续增殖。Boland 等[10]应用3D打印技术将牛血管内皮细胞和藻酸盐水凝胶同步打印，形成内皮细胞-水凝胶三维复合物，成功打印出具有活性的微脉管结构，为打印血管奠定了基础。Mironov等[11]就提出了3D打印器官用于器官移植，他们通过干细胞在体外培养出自体细胞，播种于可降解的生物支架上从而生成相应的器官，目前3D打印技术的应用主要局限于制造结构相对简单、无需复杂供血的组织器官，如人造内耳、皮肤等[12]。随着三维打印技术的不断发展和完善，其在医学领域中的应用也会越来越重要，能不断地为人类所服务。人体解剖学教学所面临的困境

人体解剖学教学之所以不同于其他学科，就是因为其教学手段旺旺依靠大量的骨骼标本和尸体标本，只有让学生切实感受到其真实的结构，才能起到良好的教学目的，但随着社会的发展，殡葬业的规范和普及，传统的土葬已越来越少，那么相应的尸骨标本的来源也就显得非常困难，现有的骨性标本结构多是建校初期所得来的，经过多年的实用已经出现不可避免的损坏，尸体来源也面临同样的困境，遗体捐献工作并没有全面普及，尸体标本数量的多少直接影响着医学院校的发展。虽然，现在有许多辅助教学标本模型，但其在真实度、器官结构还与真实标本有很大差距，不能完全满足现有教学。因此，解剖学教学在标本模型方面面临亟待突破的方法。三维打印技术在人体解剖学教学中的可行性探索

三维打印技术也在医学领域中应用的比较广泛了，在解剖教学方面，目前受到标本数量、解剖名词繁杂、缺乏立体教学等诸多因素的制约，往往只能依靠传统的教学模式，即板书、教材、挂图、少量标本和模型相结合的模式，二维性不能全面完整展示人体器官、位置和结构，无立体感，以至学生们常感觉这门课程抽象难以理解[13]；另一方面使用塑胶模型也难以获得1∶1和真实感，再有尸体来源也将越来越困难，同时尸体作为教学涉及众多伦理及防腐剂影响健康等问题。所以，三维打印打印在这方面有很大的发展空间，国外学者报道[14]已经有医学院校将三维打印技术引入并投入使用。目前国内还未见报道，因为三维打印机目前多用于科研和部分临床应用，一方面其设备较昂贵；另一方面打印耗材成本也较高，但随着三维打印机的发展与普及，打印耗材成本的下降，必将对医学领域产生较大的影响，对于人体解剖学教学将起到重要的辅助作用。

参考文献

三维打印快速成形技术及其应用 篇3

关键词：三维打印；快速成形技术；系统结构；应用

三维打印快速成形技术的核心是：建立在微喷射原理基础之上，通过喷射方式自喷嘴中喷出一定的液态微滴，在此基础之上根据预先设置的路径逐层打印并成形。相对于传统意义上的立体印刷技术或者是叠层实体制造技术而言，三维打印快速成形技术有着非常确切的优势，包括对激光系统要求较低，设备投入资金较少，运行性能可靠，维护工作量少，成本低廉等多个方面。同时，三维打印快速成形技术能够在常温环境下操作，运行安全可靠，可适用的成形材料类型众多，价格均衡，有实践价值。因此，三维打印快速成形技术已成为当前整个快速成形行业中最具综合发展潜力与空间的技术手段之一，有着非常广阔的应用前景。文章即围绕三维打印快速成形技术的实现及其应用要点展开分析，望引起重视。

1.三维打印快速成形技术的实现

从喷射材料上入手，可对三维打印快速成形技术的实现方案进行分类，主要有两种类型：第一是建立在粘结成形基础之上的三维打印快速成形技术，第二是建立在直接成形基础之上的三维打印快速成形技术。具体分析如下：

1.1 粘结成形下的三维打印快速成形技术

下图（如图1）为粘结成形下三维打印快速成形技术的基本工作原理。在本技术方案实施下，首先需要在工作台上均匀铺设一层粉末状材料，然后参照零件截面形态，将粘结材料有选择性的打印至粉末层上，使实体区域内的粉末材料完全粘结起来，形成截面对应的轮廓，打印完一层后将工作台向下移动，然后重复以上操作步骤，直至完成整个工件。

1.2 直接成形下的三维打印快速成形技术

下图（如图2）为直接成形下三维打印快速成形技术的基本工作原理。在本技术方案实施下，首先需要根据待打印的零件截面形状，控制打印头在截面有实体的区域内打印光固化实体材料，同时需要在可支撑区域内对固化支撑材料进行打印，然后利用紫外灯照射技术，在光固化材料的基础之上同步进行边固化打印工作。逐层进行固化处理直至完成对整个工件的打印工作，最后将支撑材料去除掉，以得到对应的成形工件。

2.三维打印快速成形系统结构

在三维打印快速成形技术实现的过程当中，主要的工作流程为：第一步，采集粉末原料；第二步，将粉末平铺至打印区域当中；第三步，在模型横截面上对打印机喷头进行定位，同时喷涂适当的黏结剂成分；第四步，送粉活塞上升同时实体模型下降，以继续打印；第五步，重复以上操作直至模型打印作业完成；第六步，将多余粉末去除掉，对模型进行固化。建立在该技术基础之上，整个三维打印快速成型系统运行需要完成的动作流程包括：打印喷头沿X轴向以及Y轴向的扫描运动，成型腔活塞沿Z轴向运动，储粉腔活塞沿Z轴向运动，铺粉辊筒转向运动以及平向运动等。其中，喷头X轴向运动采取的是传统喷墨打印机操作系统中的字车运动系统，引入光栅技术进行检测，X轴向打印精度可以达到5670dpi单位以上。同时，喷头Y轴向扫描运动能够带动打印机沿与X轴垂直的方向匀速动作，双侧驱动方式为步进电机驱动，光栅检测，闭环控制，三维打印成形中的定位精度可以达到10.0um级别。同时，整个三维打印快速成形系统还可以通过应用步进电机的方式为涡轮减速器提供驱动作用力，以驱动丝杆螺母运动，在半闭环条件下实现对铺粉厚度的合理控制（注：铺粉电机运动仅需要控制电机的启停状态，同时配合合理设置转动速度的方式完成工作任务，即应用常规直流电机就能够满足相应的工作要求）。

3.三维打印快速成形技术的实际应用

3.1 三维打印快速成形技术在生物工程领域中的应用

生物工程领域研究中对无生物活性支架以及假体的制作一直都是备受关注的工作内容之一，传统技术手段需要对生物活性材料进行激光加热或烧结，对材料的生物活性有不良影响。而通过对三维打印快速成形技术的应用，能够将参与生命体代谢行为且可降解的组织工程材料制成内部结构具有多孔疏松特性的人工骨材料，将活性因子填充于疏松孔内，起到代替人工骨骼的目的。

3.2 三维打印快速成形技术在制药工程领域中的应用

当前口服药物制剂的制造方法主要有粉末压片以及湿法颗粒这两种类型，无论是哪种制药方法，都存在分解速度过快，难以到达血液，或短时间内血液中药物浓度过高的问题，对人体有非常不良的影响。而通过对三维打印快速成形技术的应用，则能够为药物释放可控性功能的实现提供有力的技术性支持，相信随着单药、多药复合释药性口服可控释放药片以及药物梯度控释给药系统等技术的成功研制与应用，三维打印快速成形技术的应用潜力将得到更进一步的扩大与提升。

3.3 三维打印快速成形技术在元件制造领域中的应用

通过对三维打印快速成形技术的应用，能够为产品结构设计检查工作的开展提供非常好的支持，同时，依托该技术能够快速制造产品所对应的功能原型件，从而尽早的展开对产品设计性能的检测工作，缩短设计反馈周期，提高开发有效性，降低开发成本。

4.结束语

结合本文以上分析认为：三维打印快速成形技术作为当前快速成形领域中最具发展潜力的技术手段之一，对比其他快速成形技术而言，有着众多的应用优势，其应用空间也是非常广阔的。特别是在当前快速成形领域学科不断发展与优化的背景之下，三维打印快速成形技术也势必会逐步得到更为广泛与深入的应用。且由于此种技术手段可供选择的材料范围广阔，故而在多个行业的应用价值正逐步显现出来，值得引起重视。本文即围绕三维打印快速成形技术及其应用的相关问题进行分析与探讨，希望以上引起各方人员的高度关注与重视。

参考文献：

[1]李晓燕，张曙，余灯广等.三维打印成形粉末配方的优化设计[J].机械科学与技术，2006，25（11）：1343-1346.

[2]晁艳普，白政民.金属微滴三维打印成形数据处理软件的设计开发[J].机械设计与制造，2014，（8）：236-239.

[3]庄佩，连芩，李涤尘等.仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究[J].机械工程学报，2014，（21）：133-139.

三维打印技术应用研究 篇4

1 研究综述

目前,国内外学者对三维打印技术进行了诸多分析研究。国外学者如Barry Berman[4]将3D打印与大规模制造以及其他制造工艺进行了比较,并在此基础上对三维打印技术的特点及应用领域进行了相关研究; Ben Utela等[5]在回顾大量相关文献的基础上对三维打印的过程步骤进行了深入的分析研究,并对研发3D打印材料作出有益探索; Susmita Bose等[6]对三维打印技术在骨骼损伤修复及再造中的应用及其未来的发展进行了研究探讨。国内学者如王萍[7]在深入研究三维打印技术的相关原理及其教育发展中的应用后,构建出Solid Learning教学模式;乔益民等[8]在深入研究三维打印及其相关技术后论述了该技术在包装容器中应用的可行性; 王忠宏等[9]在分析研究3D打印技术发展及应用的基础上对我国3D打印产业的发展状况以及所面临的问题进行了分析研究,并提出了相应的政策建议; 张继德[10]则详细并深入地研究了3D打印技术的优势及其在我国发展存在的问题,并给出了相应对策及建议。

现有学者大多对三维打印技术的发展趋势、应用情况、技术特点等方面进行分析,为该技术的发展进步作出有益贡献,但从专利角度对我国三维打印技术进行深入分析研究的文献却鲜有报道。专利作为最新技术创新成果的重要载体,是国家、地区或企业、行业技术优势的体现,最大程度地开发和利用专利信息可以有效地预测未来技术的发展方向,判断产业的竞争态势[11]。因此,本文试图通过专利管理地图对我国3D打印技术的相关专利进行检索与研究,以期为我国3D打印产业的发展提供可资借鉴的理论支持。

2 研究方法与数据来源

专利地图( Patent Map) 是将大量的专利资料整理并绘制成各种可供分析研究的图表讯息,主要分为专利技术地图、专利权利地图以及专利管理地图等[12]。专利管理地图( Management PM) 是将大量的专利信息按照 “历年专利申请数量”、 “专利申请人”、“技术生命周期参数”、 “IPC分类号”等不同变量作出归纳分析,其结果可以反映业界或某一领域整体经营的发展状况[13]。本文选择运用专利管理地图的相关理论对我国三维打印技术进行分析研究,以期获得该项技术的发展方向、分布态势等方面信息,为我国的三维打印产业发展提供可资借鉴的理论支持。

本文所采用的检索方案如表1 所示[14],所采用的主要分析工具是Thomson Innovation ( TI) 专利分析工具、Microsoft Office Excel等软件。

3 基于专利管理地图的我国三维打印技术分析

3. 1 专利申请数量的变化分析

通过专利检索、筛选并汇总后,共得到三维打印技术专利的申请数量共440 项,其中实用新型专利的申请数量是123 项,发明专利的申请数量为309项,外观设计专利的申请数量为8 项。另外,因为专利公开存在时滞,2014 年所申请的部分专利没有被检索出来,所以该年数据仅供参考。专利申请数量的变化如图1 所示。

从图1 可以明显看出,1995—2003 年我国三维打印技术相关专利申请的数量较少,极可能是由于该时期为我国三维打印技术研究的初始阶段,人们对知识产权的保护意识以及该项技术的成熟度均不高; 2004—2009 年相关专利的申请数量在波动中不断增长,表明该项技术正处于不断发展进步之中;从2009 开始申请数量进入高速增长期,至2014 年已达132 件之多,说明我国的三维打印技术正处于高速发展期。

3. 2 主要专利申请人分析

通过对我国三维打印技术专利申请人的研究,可发现该技术的主要研发力量所在,并挖掘出该领域内的领军企业。对该项技术的主要专利申请人及其专利的申请数量的统计如图2 所示。

从图2 中可以看出,目前我国三维打印技术专利权人主要为高等院校、科研机构及少数的公司企业。目前,华中科技大学是我国申报数量最多的高等院校,这是由于华中科技大学是最早进行快速制造的研发单位并成立了快速制造中心[15]; 西安交通大学、西安瑞特快速制造工程研究有限公司、西安中科麦特电子技术设备有限公司、西安上尚机电有限公司等企业所申请的专利数量也比较多。这说明部分高校和企业已经开始进行合作,使得三维打印技术已逐渐开始产业化,这是一个良好的开端。

3. 3 技术生命周期分析

本文拟用新技术特征系数N、成熟系数 α、技术衰老系数 β 以及技术生长率 ν 等参数来预测我国三维打印技术所处的生命周期阶段,主要参数如表2 所示[14,16]。

其中,a表示某领域当年所申请的发明专利数量; A表示某领域累计5 年所申请的发明专利数量;b表示某领域当年所申请的实用新型专利数量; c表示某领域当年所申请的外观专利数量。可以根据表2 所述的公式可计算出我国三维打印技术的生命周期参数,如图3 所示。

从图3 可知,在2001 年以前,ν、α、β、N的数值几乎均为零,说明这段时间我国三维打印技术的研究正处于初始阶段,发展相对缓慢。总体上看,N值自2001 年起开始增长,但波动较大: 分别于2003 年、2005 年达到峰值,2004 年和2006 年处于低谷; 自2006 年起N值波动开始减小,并稍有下降; 从2009 年起,N值开始持续增长。从N值的变化上看,虽然略有波动,但总体呈增长上升的趋势,说明我国三维打印技术拥有较大的开发潜力。α 值虽略有波动,但呈上升趋势: 2004—2009 年 α 值略有波动但幅度不大,自2011 年起开始平稳上升,表明我国三维打印技术成熟度不高。β 值在该时期虽稍有波动,但浮动不大,尚未显示出技术衰老的特征。ν 值的变动与N值较为相似,说明该技术有较大可能正处于成长期阶段。以上4 个参数的变动趋势说明了我国三维打印技术正处于快速成长期,拥有较大的开发潜力。

3. 4 专利技术IPC分析

通过对专利技术的IPC分类进行研究、统计可以获得不同技术的分布区域,并可进一步发现技术的密集区及其空白区[17]。本文从小类层面对我国三维打印技术相关专利进行统计分析,可以发现,我国三维打印技术专利主要集中在B29C(塑料的成型或连接;塑性状态物质的一般成型;已成型产品的后处理,例如修整);B41J(打字机;排版错误的修正);B22F(金属粉末的加工;由金属粉末制造制品;金属粉末的制造);A61L(材料或消毒的一般方法或装置;空气的灭菌、消毒或除臭;绷带、敷料、吸收垫或外科用品的材料);A61F(可植入血管内的滤器;假体;为人体管状结构提供开口、或防止其塌陷的装置,例如支架);A61C(牙科;口腔或牙齿卫生的装置或方法);A61K(医用、牙科用或梳妆用的配制品);B23K(钎焊或脱焊;焊接;局部加热切割,如火焰切割;用激光束加工);G06F(电数字数据处理);G05B(一般的控制或调节系统;这种系统的功能单元;用于这种系统或单元的监视或测试装置)等技术领域,如图4所示。

由图4 可知,我国三维打印相关技术的IPC小类多集中在B29C类、B41J类和B22F类,这说明我国三维打印技术的研究主要集中于打印材料( B29C,B22F) 以及3D打印机( B41J) 的研发,表明我国现在对三维打印的研究不仅仅只关注于成型技术,也开始侧重于成型设备的研发。深入研究可以发现,我国三维打印技术的研究主题是打印材料( B29C,B22F) 的制造; 从应用上看,主要的应用领域是生物制造工程( A61L, A61F, A61C,A61K) ,主要的应用方向是对人体器官进行人工替代; 从研究内容来看,主要集中在成型设备、成型材料、成型方法等方面,对于打印设备的实用化、打印材料的类型以及打印成品的精度等内容的研究尚未深入,这将很可能成为我国三维打印相关技术以后的研究热点、难点及重点。

4 结论及建议

本文在检索我国三维打印技术相关专利的基础上使用专利管理地图的理论及方法对其进行研究,得出了以下结论及建议:

( 1) 从专利申请变动来看,我国三维打印技术的专利申请数量总体上呈上升趋势,建议进一步加强对知识产权的保护,同时制定优惠政策以便吸引到更多的科研人员参与到三维打印技术的研发与创新当中。同时,从已有的我国三维打印技术的专利结构上看,处于较高发明等级的三维打印技术专利还比较少,建议政府及相关部门加大对重大、关键性技术研发的投入力度,以促进我国三维打印技术革命性的突破。

( 2) 从主要的专利申请人上看,该技术的专利申请人主要集中于高等学府、科研机构以及少部分的公司企业,虽然已有部分高校和企业进行合作,但是高等院校以及科研机构的专利持有量远远大于公司企业所申请的专利数量,说明我国现在缺少独立研发三维打印技术的大型企业,且高校与企业间依旧缺乏合作交流。高等院校以及科研机构具有较强的科研能力、较好的科研条件以及较多科研时间,而公司企业则能够将三维打印技术进行产业化,基于此,本文主张继续加强高校与企业之间的交流与合作,进一步促进产学研的有机结合。

( 3) 从技术生命周期参数的走势上看,我国三维打印技术现正处于快速成长阶段,所拥有的技术开发潜力巨大,因此建议我国政府以及相关主管部门加大对三维打印技术的政策扶持力度; 同时,相关科研机构应加大研发力度、深度、广度,促进该项技术早日成熟、完善。

( 4) 从专利IPC分布上看,我国三维打印技术的研究目前主要集中于使用热塑性塑料( B29C) 、金属粉末( B22F) 等可粘合性的材料,通过打印的方式制造成品,研究中涉及到成型设备的制造、成型工艺的优化、模型制作的方法、材料的比例配方等诸多方面,但是,我国三维打印技术中所涉及的喷射材料单一,其研究主要集中于热塑性塑料( B29C) ,虽然金属粉末( B22F) 材料也有一定的研究,但相较于热塑性塑料( B29C) 还有所差距,正是材料的研发不足影响了我国三维打印技术的推广应用。建议将更多的科研力量投入到新材料的研发当中,这样才能进一步促进三维打印技术的发展与进步,才能使得三维打印技术成功推动第三次工业革命。

摘要：三维打印技术是快速成型领域的新兴技术之一,有效挖掘技术专利信息对提升三维打印技术、加快技术创新步伐具有重大意义。首先对我国三维打印相关的技术专利进行检索,继而运用专利管理地图对我国三维打印技术历年的专利申请数量、主要专利申请人、专利技术IPC以及技术生命周期等相关内容进行研究,以期发现我国三维打印技术的发展现状及趋势,并为我国三维打印技术的发展提供可资借鉴的理论支持。

三维打印 将梦想“照进”现实 篇5

然而，就是这样一个看起来似乎并不起眼的领域，让多少人为之疯狂。近年来，关于三维打印的报道频频见报，究其缘由，主要在于三维打印为人们提供了一个从未接触过的新生活愿景。从鞋子、自行车到工具、零部件，甚至房子，一切似乎都可以通过三维打印，自己动手制作。

“全球三维打印机及耗材配件目前的市场总值在15亿～20亿美元之间。” Stratasys亚太及日本地区总经理Gilad Yron表示，“尽管市场本身规模不大，但我们还是在这个行业投入了很多精力，尤其是在中国。因为我们相信这个行业的未来发展趋势，三维打印将带来工业制造及研发行业的一次革命。”

作为一家成立于1988年的公司，Stratasys一直专注于三维打印的解决方案。2012年12月3日，其同另一家知名的三维打印厂商Objet完成了合并。合并后，新公司名称依然沿用Stratasys，并同时拥有了对光敏树脂和热塑材料进行加工的技术，实现了打印精度与材料性能的统一。

合并后，Stratasys迅速发布了其旗舰级的高端型号Objet1000三维打印机。这一新产品可以打印出1000×800×500毫米尺寸的成品，并且有120多种材料可供用户选择。长达一米的工作平台也意味着，可以一次性打印出更多小尺寸的成品，节省用户的时间。根据介绍，Objet1000能够在一个模型上打印出14种不同的材料属性。

不过，在Gilad Yron看来，Stratasys并不是一家三维打印机公司，而是三维打印解决方案供应商。无论是Objet1000还是此前更小的工作平台产品，抑或未来更先进、更大型的新品，打印机都只是一个工具，只是用来帮助用户将想法落地。

三维打印市场目前正处于一个快速发展的成长期。尽管目前已经有大量与三维打印相关的报道，但是其更多的是被用在工业制造、医疗器械等专业领域。从精度、坚固度、美观等角度来看，三维打印离民用还有很长一段距离。它主要被用于四种应用场景：模型制造、装配原型、功能测试及直接制造。但是，这并不妨碍我们对其未来有一个美好的期许。

Stratasys是目前惟一一家在中国设有分支机构的国外三维打印机公司，这反映出其对中国市场的信心。Gilad Yron认为，Stratasys未来能够在中国做出更大的贡献：“我们很小，但是我们希望站在巨人的肩膀上看待中国未来的巨大潜力。”

三维打印技术应用研究 篇6

三维打印制造是近年来快速制造领域的热点技术之一，根据本小组的研究，采用μC/OSⅡ操作系统开发三维打印机，能够将打印机的各项工作分解为不同的任务，每个任务完成特定的一些工作，从程序模块的划分上，任务明确，层次清晰。其中关键是不同任务之间的同步与通信，凭借μC/OSⅡ系统灵活的任务间通信的能力[1,2,3]，经过精心设计和调试，圆满地实现了任务间的通信。使各个任务协调一致、有条不紊的工作，实现了三维打印的快速、精确控制。

1 三维打印原理与控制系统简介

三维打印机的打印头固定在一个确定的高度上，打印的零件处在打印头下面的工作台上，对零件从最底层往上进行逐层打印，打印完一层，工作台下移一层，再打印零件的上一层。工作台上下移动称为Z向移动，由一个控制Z向运动的电机驱动，在打印一个零件时，有两个送丝电机，一个送粗丝，用于基础骨架打印，另一个送细丝，用于零件精细部分的打印[4]。打印前在PC计算机上对零件进行三维打印的数据处理，将零件分为若干层，每层厚度为Δh，每层按照最优方向划分为若干紧密相邻的剖面线，打印机打印的就是这些剖面线。打印确定的一层时，打印头的运动是一个二维平面运动，每一条线的打印，都是由X方向的驱动电机和Y方向的驱动电机协同工作，完成一条线的打印。这样逐条线打印直到打印完本层的所有线条，就完成了本层的打印。这样，共需要X向、Y向、Z向3个电机及2个送丝电机共计5个电机的实时控制，才能实现三维打印。因此三维打印可以视为一个五轴联动系统。对其控制系统研究的结果是，采用目前ARM最新版本V7架构的ARM Cortex M3作为主控器的CPU是很好的一个选择。这里选用的就是基于ARM Cortex M3内核的由意法半导体出品的STM32F103VE6T，该MCU为32位，主频72 MHz，内含512 KB的FLASH闪存，可以存放多达512 KB的程序代码，有64 KB RAM,8个多功能定时器[5]。片内其他资源丰富，其速度和资源能很好地满足三维打印机的控制要求。选用了5个通用定时器分别作为X、Y、Z方向运动电机和2个送丝电机的控制器，选用定时器T6作为每条线段打印的总时间定时器。在对几种嵌入式操作系统进行比较后，选用了实时性最好、代码量最小、功能强大的μC/OSⅡ系统。在Keil集成仿真平台上完成了软件与硬件系统的设计开发与调试。

2 三维打印任务划分

所有需要在打印之前就完成的工作，全部放在初始化部分完成，例如I/O口的初始化、串行通信初始化、LCD显示器初始化、打印控制所需的6个定时器的初始化、打印头初始位置确定、打印头预热、打印模式设置等。

打印过程中的工作划分为四个用户任务，具体内容见表1。

再加上两个系统任务——空闲任务OSIdleTask()和统计任务OSStatTask()，一共有6个任务在系统中运行。

3 三维打印任务间的通信

μC/OSⅡ任务间通信的方法有多种，这里采用消息邮箱Mbox进行数据传送，采用若干全局变量作为工作状态标志和任务握手信号。在初始化结束后，执行了操作系统启动函数OSStart()后，系统就开始了任务调度与管理。

任务1是触摸屏操作任务，其优先级最高。任务调度一开始，就会运行该任务。在该任务中对触摸屏进行两次数据读取，判断有没有屏幕操作，有屏幕操作的话，其位置在何处，是一个什么操作，再转向对应的程序进行处理。然后通过调用OSTaskSuspend(1)函数自行挂起。再次激活该任务是通过系统时钟节拍中断服务函数OSTickISR()[6]，激活方法是在该函数中调用OSTaskResume(1)即可。这样在时钟节拍中断函数退出后，由于任务1优先级最高而得到运行。由于点击屏幕操作的时间通常大于100 ms，因此系统时钟节拍中断函数的频率设置为200次/s。这样的频率足以捕获每次触摸屏操作。并且能够满足三维打印任务调度的所有实时需求。

任务2是LCD显示任务，其优先级为次高，其激活与挂起的方法与任务1不同，而是在需要显示时，由需求的任务通过调用OSTaskResume(2)激活，显示字符送给显示器后，任务2通过调用OSTaskSuspend(2)函数自行挂起。

打印过程的程序框图如图1所示。

在任务3获得CPU的使用权时，在其中进行SD卡数据读取与数据处理，生成一条打印线的控制数据，生成的数据通过消息邮箱MboxPost()发出，然后任务3通过调用OSTaskSuspend(3)函数自行挂起。其后任务4获得CPU的使用权，在其中通过调用OSMboxPend()取得任务3所生成的那些数据，之后将这些数据送给控制各个电机运动的各个定时器，启动这些定时器开始工作，实际上就是启动了那些电机，从而启动了打印头的运动。然后通过调用OSTaskResume(3)函数将任务3恢复为就绪态，之后任务4通过调用OSTaskSuspend(4)函数自行挂起。而打印工作在几个定时器的控制下继续进行。同时任务3由于其较高的优先级，会获得CPU的使用权，从而进行下一个线段的数据生成。数据生成占用时间很短，数据生成后又通过OSMboxPost()发出。

然后任务3通过调用OSTaskSuspend(3)函数又自行挂起。这时任务3和任务4都处于挂起状态。此时本条线段的打印还在进行，系统运行空闲任务OSIdleTask()和统计任务OSStatTask()。

直到本线段打印完成后，负责打印总时间的定时器T6定时时间到，程序执行会进入T6的中断服务程序。在该中断服务程序内，先停止各电机的运转，也就是停止打印头的运动和送丝运动。然后又开始下一条线段的打印。周而复始，直到打印完本层。再打印下一层。直到所有层打印完成。

4 结语

凭借μC/OSⅡ系统强大的多任务调度与管理能力，通过任务间的通信，实现了多任务实时操作，数据生成工作与打印工作同时进行，实现了三维打印的快速精确控制，提高了CPU的工作效率。

注：本文通讯作者为赵博。

摘要：简要介绍了三维打印机原理与控制系统,重点论述了采用μC/OSⅡ操作系统开发三维打印机中任务的划分及任务间的通信技术。将三维打印分为4个用户任务,分别是触摸屏操作任务,显示屏显示任务,数据生成任务,打印任务。凭借μC/OSⅡ灵活的任务间通信的能力,采用消息邮箱Mbox从数据生成任务中将打印数据传送给打印任务。在不同任务中,将暂时不需要工作的任务挂起,而将需要工作的任务恢复运行,圆满地实现了三维打印的快速、精确控制。

关键词：三维打印,μC/OSⅡ,用户任务,互相通信

参考文献

[1]王晓薇,孙静,刘天华.嵌入式操作系统μC/OSⅡ及其应用开发[M].北京:清华大学出版社,2012.

[2]刘波文,孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OSⅡ经典实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.

[3]佚名.Cortex-M3内核的μC/OSⅡ性能研究[EB/OL].[2012-02-01].http://www.elecfans.com/emb/app.

[4]STMicroelectronics group of companies.STM32F103xE[EB/OL].[2013-08-23].http://www.st.com.

[5]佚名.3D打印技术[EB/OL].[2013-08-13].http://wenku.baidu.com/view.

CT三维成像的立体打印技术 篇7

1 资料与方法

1.1 设备

GE ProspeedFⅡ, AW4.2工作站, 彩色打印机, 红蓝立体眼镜。

1.2 立体视觉产生原理

人的立体视觉是基于人的生理因素, 人在观察一个空间物体时, 使用双眼进行观察, 左、右两眼观察图像有少许的角度差[2], 所观察到的图像也有少许不同, 这被称作双眼视差, 这是产生立体感的主要因素。左眼视图和右眼视图一起构成立体图像, 只要得到立体图像时, 就能产生立体图像[3]。

1.3 图像处理方法

将CT扫描后图像进行三维重组, 选择适当角度对重组后图像进行保存, 得到一个角度的观察图像, 将重组后图像旋转一定角度再次保存得到另一视角图像。旋转角度可以通过下面方法计算获得。

通常观察图像的距离为35～40cm, 人的瞳心距约为6.5cm, 这样计算后得到左、右视图角度差约为10°。

1.4 立体图像再现

将得到的两幅图通过分色处理, 获得红、蓝两幅图, 再将两幅图透明处理后合成一幅图, 就可以通过红蓝立体眼镜观察图片了。

2 结果

通过上面方法获得左眼视图:图1、右眼视图:图2和立体视图:图3。

处理后获得的立体视图, 可以直接在电脑屏幕上通过红蓝立体眼镜进行观察, 也可以利用彩色打印机打印成照片后通过红蓝立体眼镜进行观察, 都可以获得良好的立体观察效果。照片具有良好的空间感, 可以观察到组织的前后深浅层次, 是真正意义的三维立体影像。

3 讨论

随着当前科技的飞速发展, 立体视觉已在影视图像上得到广泛应用, 而在医学影像方面的应用还非常局限。立体影像的生成主要有三种方式:分时法、分光法、分色法。

分时法是将左眼视图、右眼视图两套画面在屏幕上交替播放, 同时用液晶快门眼镜同步交替遮住观看者的右眼和左眼, 使每只眼只能看到与之相对应的一套画面, 通过两套画面的快速切换, 人眼在视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。这种方法需要具有较高刷新率的屏幕和与之配套的液晶快门眼镜, 才可以使用, 无法用于照片打印。分光法是用偏光滤镜滤除特定角度偏振光以外的所有光, 来分离左、右眼视图, 比如:让0°的偏振光搭载左眼视图, 90°的偏振光搭载右眼视图。观察者戴上对应的偏光眼镜就可以看到立体视图。该技术需要专用的投影机和屏幕配合偏光眼镜使用, 同样很难用于照片打印。分色法的基本原理是通过分色处理, 让某些颜色的光只进入左眼, 另一部分只进入右眼, 如:红蓝分色。将采集到的左眼视图中的蓝色、绿色去除, 右眼视图中的红色去除, 再将处理过的这两套画面叠合起来就制成了可用红蓝眼镜观察的立体图片, 观察者戴上红蓝立体眼镜就可以观察到立体图片。本文就是通过这种方法实现CT三维成像的立体打印。

综上所述, 分时法和分光法对设备都有较高要求, 且只能在特定的屏幕上看, 不能打印成胶片。所以本文采用分色法对图像进行处理和重现, 这种方法非常简单, 对设备也无特殊要求, 只需要普通的显示器、彩色打印机、红蓝眼镜就可以实现。而且可以将立体图像保存在打印纸或胶片上易于携带、观察, 具有良好的实用前景。立体影像更适合于人类双眼观察的习惯, 可以提供更多的信息。有报道称可以在立体影像中估算深度[4]。随着技术的进步, 立体影像应用的不断发展, 其应用价值会得到进一步提高。

摘要：目的 介绍一种将CT三维重建影像打印为立体照片的方法。方法 将CT扫描图像进行三维重组, 将重组后图像选取适当角度进行存储, 然后旋转一定角度再次存储, 生成立体图像时, 经滤光、合成处理生成立体照片。结果 合成后立体图像具有三维立体信息, 可以通过立体眼镜观察到三维立体图像, 具有三维空间感, 为临床提供更加直观准确的信息, 并可以打印在彩色照片或胶片上, 便于携带和观察。结论 普通的CT三维重建影像是一种单像成像技术, 实质上是一种二维成像技术, 单幅图像不能显示被检部位的前后关系, 经过合成处理后的图像是真正的三维立体图像, 可以观察到三维的空间结构。

关键词：CT扫描图像,三维重建,立体成像,立体照

参考文献

[1]李造峰, 任连江.螺旋CT扫描与三维成像技术的临床应用[J].实用医技杂志, 2002, 9 (1) :31-32.

[2]于洪波, 沈国芳.立体摄影颌面部软组织三维重建与测量的研究进展[J].口腔颌面外科杂志, 2008, 18 (4) :288-290.

[3]杨嚣, 王继成, 刘然.立体图像的生成[J].计算机应用, 2007, 27 (9) :2106-2109.

三维打印技术应用研究 篇8

3D打印(3D printing,又称三维打印)是快速成型技术的一种,它是一种以三维模型为样本,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印方式,来构造零物件。3D打印的出现使得产品制造朝着直接数字化制造的方向发展。3D打印技术的出现有效促进了设计师灵感到实物的实现。因此,3D打印具有成本降低、按需打印、不占空间、便携制造等优点。

二、3D打印在教育领域发展现状

3D打印技术出现在20世纪90年代中期,但由于价格昂贵等因素并未得到推广及普及。经过20多年的发展,3D打印技术已经应用到许多科学领域,逐渐走入寻常百姓家。良好的教育应走在发展的前面,因此该技术的普及也引起了教育工作者的关注。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单,并对3D打印作了较为详细的介绍。

教育是3D打印机在欧美国家的一个重要市场,先是高校对3D打印机进行了推广,随后开始向中小学课堂推广。高等教育机构正在为3D打印技术在科研领域的应用铺平道路,3D打印技术之所以得到教育工作者的青睐,最引人注目的应用在于学生可以利用技术创造出完全属于自己的东西,进一步激发学生的想象力和创造性,让设计专业的学生将自己设计的角色与场景模型通过3D打印机打印出来,更直观地感受设计带来的乐趣,也可以通过观察实物对模型或场景改善设计,完成从设计到产品的转化。

我校作为镇江市首个建立“3D打印工作室”的高等职业技术学校,为每4名学生配备了1台Markerbot桌面型3D打印机,让学生能够打印出他们自己设计制作的模型,并为工作室配备了Objet30和Dimension-Elite打印机、3D扫描仪等设计。并在动漫设计与制作专业开设《3D建模与打印》课程,本课程的开设受到了学生和老师的一致好评,学生通过课程的学习,提高了三维建模软件技能,掌握了3D打印机的应用,因此将3D打印引入高职动漫三维建模课程具有现实性意义。

三、3D打印引入高职动漫三维建模课程的意义和积极性

(一)3D打印引入高职动漫专业教学的意义

动漫产业被誉为21世纪最具有发展潜力的朝阳产业,市场对动漫人才需求也日益提高。但因国内动漫专业教育的培育仍较为滞后,使得动漫设计专业看似热门,学生就业却相对困难,就业蓝皮书预警动漫专业频亮红灯。国内动漫产业发展尚不成熟是其中一个重要原因。其次,众多高校开设动漫专业,学校更多的是考虑招生,却较少考虑学生的就业问题。加之新兴产业与传统教学的“冲突”,动漫专业人才培养模式过于单一化,师资力量薄弱等多方面的原因,很多动漫专业的学生不得不面临“就业即失业”的窘境。

动漫专业学生的就业从地域分布上看,动漫人才多集中在北上广等一线城市。而其中很多的动漫人才并非在真正的动漫岗位上,很多动漫毕业生都进入游戏、广告等行业。从江苏地区来看,动漫产业及动漫人才多集中在苏锡常地区。其他地区发展相对薄弱,对动漫人才的需求不高。从岗位上看,当前,高职动漫专业的主要任务是培养动画原创、制作和创意人才,在招聘会现场,高薪聘请动漫人才的岗位不在少数,但多数学生仍因为专业技能等原因并不能达到企业要求,成功应聘者相对较少。

因此,要提高高职动漫专业学生的就业率,除了继续教学方式、方法的改革,及时更新、转变就业思路也变得非常重要。而在考虑动漫专业学生的就业方向及岗位上,从“正规军”延伸至“非正规军”也成为一种新趋势。“非正规就业”是在就业形势日益严峻背景下衍生出来的一种就业方式。动漫衍生品行业的发展则为动漫专业学生“非正规就业”提供了一定的方向。动漫衍生产品是根据动画或漫画中经典的卡通形象通过专门从事动漫衍生产品设计师的精心设计、开发并制造出来的一系列可供销售的产品或服务。它是动画与漫画市场推广产品的一种延伸手段,主要包括玩具、食品、游戏、文具、服装、书籍小说、音像制品、首饰挂饰、家居用品、电影、日常生活用品等,种类繁多,范围宽泛。动漫衍生品的实物多以三维模型的形式展示,而3D打印技术的出现及在教学中的引入,除了对教师的教学起到了积极促进作用,更能够帮助学生将设计转变为现实,激发学生的学习积极性和主动性。

(二)3D打印引入高职动漫三维建模课程积极性研究

1.3D打印实物模型有利于教学成果的体现

三维建模课程作为动漫专业的一门主干课程,在以往的教学中,多是以教师构思提供模型,学生模仿制作模型为主,且教师提供的模型以电子图片为主,在帮助学生建立从平面到三维的概念转换上存在缺陷。将3D打印引入三维建模课程中,教师将3D打印模型带入课堂,营造了对象的即视感,提高了学生学习的兴趣,零时间交付,使学生的设计空间无限放大。

2. 借助“设计思维”的个性化工具,培养学生的创造性思维

当前的教学改革更加注重学生自主学习、自主探究能力的提高,3D打印机则为学生的“设计思维”提供了良好的实现平台。学生可以设计自己感兴趣的动漫人物、动漫造型,利用三维建模软件建模,最终将模型打印出来,使学生的设计空间无限扩大。只有想不到的,没有打印不出来的造型(流程如下图所示)。

3. 转变就业观,研究课程体系新模式

笔者所在学校已开设动漫设计与制作专业十余年,旨在培养服务于镇江及周边城市的动漫产业服务人才。但因中小城市动漫产业发展缓慢,动漫企业城市占有率较低,加之学生就业观念未及时转变,导致很多动漫专业毕业生出现“毕业即失业”的尴尬,不得不将就业的方向转向其他相关就业领域。

2015年7月27日,教育部发文《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》中指出发展职业教育要遵守的相关原则:服务需求、就业导向。服务经济社会发展和人的全面发展,推动专业设置与产业需求对接。因此,将3D打印引入动漫专业教学,整合课程资源,充分利用学生专业技能基础,拓宽学生视野,转变学生的就业观对高职院校动漫专业的课程建设体系具有较大意义。

4. 提升教师自身专业素质

职业院校人才培养的目标是培养符合市场需求的技术型人才,市场变化的日新月异对职业院校的教师而言更是重大的考验。教师通过对3D打印技术的学习研究,将其辅助于教学,并积极开展自下而上的教学改革实践,将3D技术带入课堂。积极促进学生与教师的共同成长,实现新技术环境下的共赢。

摘要：随着3D打印技术的兴起,越来越多的学校将其应用于教育教学。介绍了3D打印技术的发展,结合所在学校3D打印工作室建设的实际应用,探讨将3D打印引入高职动漫专业三维建模课程的意义和积极性,转变教学思路,强调以学生为中心,促进学生对知识的主动探索,实现学生对所学知识意义的主动建构。

关键词：3D打印,高职动漫,三维建模

参考文献

[1]付培.3D打印引入动漫造型课程的积极性研究[J].新课程学习(下),2014(10).

三维打印技术应用研究 篇9

3D打印技术由于其独特的成型原理与技术,使得原来不可能在实验室制作的各种产品与模型,从而得以制作实现。为学生建构工程设计、生产情景创造了便利条件,极大地提高了学生的学习兴趣。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印的成型原理

3D打印学名为增材制造,增材制造的成型方法门类众多,目前应用最广泛的技术为FDM技术。FDM技术是将待成形件的三维模型沿某个坐标轴方向(一般为Z轴)进行分层切片,然后将ABS材料或PLA材料熔融后将每一层铺出,将所有层堆积出来,就形成了需要的成型品。

1.2 3D打印工作流程

3D打印工作流程如图1所示,首先要用三维设计软件(UG、Solidworks、CATIA等)进行零件的三维建模,然后将三维模型存储为STL文件格式,再使用切片软件对三维模型进行分层处理,最后将分层处理后的数据模型存储为打印文件,由3D打印机完成打印任务。

2 机械三维CAD课程的教学现状

《机械三维CAD》课程是我校新版培养方案中材料成型专业的核心基础课,在整个人才培养体系中占有举足轻重的地位,如图2所示。一方面它是冲压模设计、注塑模设计等后续设计类课程的基础,学生如果要做设计,必须要掌握一种三维设计工具。三维CAD是设计思想的载体,就如同纸张、尺子与铅笔一样,有了思想,必须用合适的“载体”把它给展现出来。而且机械三维CAD现在已经在装备制造业中得到了广泛的使用,必将是未来的主流设计工具。学生如果在就业前,不能够掌握一种机械三维CAD软件,是不能够胜任工程师就业岗位的。更毋庸去谈什么卓越工程师计划,学校培养人才与社会契合度问题了。另一方面,机械三维CAD软件是热处理有限元分析、铸造过程有限元分析、焊接有限元分析、注塑模流分析、冲压变形分析等CAE辅助工程分析软件的前处理基础。由于目前企业逐渐地认识到计算机辅助工程分析软件对降低企业成本、提高企业产品设计创新力所产生的巨大推动作业。故掌握计算机辅助工程分析软件对材料成型专业学生在就业竞争力方面将起到巨大的提升。而机械三维CAD则是计算机辅助工程分析的基础,该课程的学习状况将对后续辅助工程分析软件的学习效果产生影响。

理论源于实践,指导实践并受实践的检验,这是指导理论教学与动手实践的辩证法关系。机械三维CAD课程的讲授方法,目前主要是学生在课堂接受教师点对面式的理论传授,教师把这些知识用自己理解并于语言媒介传授给学生,但是学生之间是有差异的,每个学生的知识架构是不一样的,每个学生的语言理解水平也是不一样的,这样一来,对于知识的接受程度肯定是不一样的。由于很少有实践动手环节来验证并通过实践动手环节来修正自己对知识的理解偏颇。学生感觉学不懂、知识枯燥乏味,产生了知识无用论的想法。

针对上述的问题,我们在教学过程中想尽办法来解决学生学习积极性不高的问题。例如,让学生自己选择自己感兴趣的主题来设计作品、并模拟产品发布会的形式,让学生展示自我能力。客观地来说,虽然对学生的学习积极性起到了一定促进作用,但是距离大面积、广泛的收益范围来说,还有很漫长的路要走。

3 以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式

在以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式中,3D打印为建构学习环境的技术实现手段,兴趣的激发是最终目的。著名教育学家赫尔巴特认为教学过程就是兴趣培养的过程,兴趣即是教学的目的,又反过来对教学过程起到催化剂的作用,对提高教育质量起到积极的推动作用。

心理学界普遍认为,兴趣分为个人兴趣与情景兴趣,个人兴趣是一种较为稳固的个体倾向,而情景兴趣则是对外界状态环境的一种心理应激反应。情景兴趣包含兴趣诱发和兴趣保持两个阶段,我们所说的培养学生的学习兴趣就是要建构合适的情景环境在兴趣诱发阶段激发对所学知识的学习兴趣,并延长兴趣保持阶段的持续作用时间,促使短暂的情景兴趣转化为稳定的个人兴趣。

传统的《机械三维CAD》课程是通过老师的讲解,使学生熟悉Sollidworks等三维设计软件的使用操作技能,能够使抽象的产品立体模型通过三维设计软件的建模,形象地展现给信息传播的客体。但学生在学习过程中感触不到设计的快乐,总是感觉到是在“纸上谈兵”,缺乏将图纸转变为实物的“画龙点睛之笔”。如果用传统的制造技术手段去将学生的图纸加工制造成产品,不论是从成本投入还是生产周期来说,都不大可能实现。但是,3D打印的出现,使得学生的设计作品可以一种低成本、快捷的方式得以实现。学生在将自己的设计作品逐步变成现实的过程中得到了极大的成就满足感,极大地激发了学生的学习兴趣。具体来说,采用了一下的途径。

3.1 以设计作品的驱动的拉式教学法

在基本理论和操作技能学习的基础上,提前告知大家最终的课业评价占分比,设计作品将会占总成绩的50%。最终每个同学在学期末要提交自己独立完成的设计作品,设计作品需要用3D打印机打印实现,并准备答辩PPT,模拟产品发布会的模式,向大家发布自己的设计缘由、思路以及实现途径。设计作品题目,老师不予命题,由学生根据自己兴趣自由选题,充分发挥设计者的空间想象力,激发出更多创作源泉与思想火花。学生在设计过程中,碰到不懂的问题,积极地去搜集各种资料进行自学,或与同学之间进行讨论交流,或向老师求教,转变了学习作风,变被动学习为主动学习。

3.2 以赛促学

学科竞赛对课程的建设具有积极的推动作用,一方面学生具有较强的争取荣誉的欲望,另一方面竞赛又对课程建设具有拔高的作用。通过机械三维CAD的教学,在学院层面组织了2届三维设计创意大赛,并从中选拔了若干优秀的同学,积极准备竞赛,同学们在获得宁夏赛区二等奖的同时,于2015年12月4日赴常州参加全国比赛,并获得全国3D打印一等奖的佳绩。

3.3 专业认证获得社会认可

我校拥有Solidworks公司CSWA证书的授权考试基地,在完成每学期的课程教学后,将为学生组织CSWA认证考试,目前已举办了2届CSWA认证考试。,CSWA考试的通过率稳步上升。第一届CSWA认证考试,41名同学报名参加,最终10名同学获得CSWA认证证书;第二届CSWA认证考试,44名同学参加,21名同学获得CSWA认证证书。总结来看,应该是学生学习有了确定的目标,有了目标的学习效果,自然是不言而喻的。而且通过国际认证考试,对学生的自信心及学习激励效用都有极大的推动作用。

4 结语

通过实施以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式改革,极大地提高了学生的学习积极性,真正做到了学生的主动学习,学生的设计作品涌现出了一大批的优秀作品,极大的迸发出了创作的激情与思维的火花,将枯燥乏味的教室变成了激情四射的创客工作室。同时,这种教学模式还向《机械设计基础》、《模具设计》等专业课进行了辐射。教学改革的成果不仅能提高学生的各方面能力,而且也将为社会输送更多、更优秀的复合型工科人才。

参考文献

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[6]周博,董丽媛.3D打印在高校教学的应用研究[J].机械工程师,2015(11):175-176.

三维打印技术应用研究 篇10

科学家表示，新电池的充电速度是传统电池的100倍，2到3年内便可用在手机、笔记本电脑、iPod、数码摄像机和照相机上。此外，同样的技术也可大大缩短电动汽车的充电时间，能够与传统汽车的加满油的时间不相上下，进而扫除绿色环保汽车面临的其中一个最大障碍。

新型快充电池是麻省理工学院工程师共同努力的结晶。研究小组表示，他们的发明所使用的材料已经被用于电池制造，实现大批量生产并非难事。新型快充电池立基于传统的锂离子充电电池。锂电池之所以能够用于这些便携式设备是因为它们能够在很小的空间储存大量电量。然而，锂电池的充电速度还是相对较慢。对于任何用户来说，如果头天晚上忘记给手机充电，一定会给第二天的使用带来不小麻烦。

负责设计新电池的格布兰德·塞达尔博士说：“电动汽车电池可存储相当多电量，你能够以时速55英里的速度开上很长时间，但电池的功率仍比较低，以致无法迅速加速。”塞达尔及其同事找到了一种加快这一过程的方式。研究人员将由锂铁磷酸盐制成的传统电极表面结构加以改进，让锂离子的释放和吸入速度大大提高，是原来的100倍。利用这种新技术制成的电池原型只需用10到20秒便可完成充电或放电过程。相比之下，体积相当的普通电池则需要6分钟才能完成充电。

与其他电池材料有所不同的是，新材料不会随着重复充电和放电老化。科学家表示，充电速度更快的电池可连续使用2年或者3年。新型快充电池将受到便携式电子设备用户的青眯，他们不必提醒自己在头天晚上充电，除此之外，这项新发明也将孕育新一代电动汽车。相对于现有的充电时间需要大约8小时的电池而言，体积更大的电动汽车电池只需5分钟便可完成充电。这样一来，电动汽车用户便可放心大胆地进行远距离行使，而不必担心电量问题，只要能找到服务站，他们便可在短短几分钟内为汽车充满电，就像驾驶汽油或柴油汽车的人一样。

用三维打印机

复制拇指骨骼

最近，科学家第一次使用三维打印机成功复制出一个男人的拇指骨骼。这一突破为外科医生将病人损坏或患病的骨头用自身的细胞复制一份相同骨头的医学技术铺平了道路。

瑞士伯思塞尔医院的柯瑞斯·威南德领导了这一研究小组并成功复制了他自己的拇指骨，他说：“在理论上，我们可以复制任何骨。”

威南德还在实验室老鼠的背上“种植”了他的拇指骨。复制骨头需要几个步骤。首先，你需要一张所需复制骨头的三维图，如果骨头丢失了或损坏了，你可以用一对相同骨头中的另一个设法照出一张镜像图。图像被放到一个三维喷墨打印机里面，打印机里面添加有薄薄的多层选料，一层叠一层，直到三维物体成形。

威南德在打印机里放上了人体中含有的磷酸三钙和聚乳酸这两种自然材料。骨骼细胞被打印出来后将破种植在一个支架上，骨骼“支架”上有成千上万的小气孔，从而有利于骨细胞的生长，并最终取代和完全降解生物支架。