第 4 版: 前言
     
 
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3D打印在校园
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2014 年 07 月 08 日 上一期  下一期
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3D打印在校园

□ 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。”

 

 

 

在电脑里生成切片并保存

 

 

人像扫描

 

 

对扫描的人像进行处理

 

 

3D打印机正在打印中

 

 

打印出来的成品

 

 

徐其岗3D打印团队在设计洗发水瓶

 

 

将设计的模型生成切片并保存

 

 

载入3D打印机开始打印

 

 

打印完成

 

 

刘正阳制作的第一台打印机

 

 

刘正阳制作的第二台打印机

 

 

市场上购买和组装的打印机同样吸引参观者的关注

 

 

学生展示打印出的成品,很有成就感

 

 

 

打印出来的成品

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