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3D打印技术在教育中的应用研究
摘要:目前,3D打印技术在国内外的发展势不可挡,但在教学中的应用仍处于探索阶段。本文在分析3D打印技术原理的基础上,深入剖析了3D打印技术在教育中的作用,并构建了基于3D打印技术的教学应用模式,以期为进一步研究3D打印技术在教学中的应用提供参考。
关键词:3D打印;教育应用;模式构建
中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1671-7503(2014)11-0016-04
3D打印技术是一种以数字形式从三维立体模型快速构造物理对象的新型快速成型技术。该技术在医疗行业、骨骼打印、文物打印、工业设计、汽车零件制造、航天和国防、教育、地理信息系统等领域都有所应用。众多研究者认为这项技术将引领制造业发展的新趋势,甚至被誉为2012年10大发明之一。随着3D打印技术的发展,3D打印技术逐渐与各个领域深度交融,成为各个领域未来发展的有力助推器。那么,3D打印技术与教育领域的深度融合又将给教育界带来哪些革命性的变化呢?
新媒体联盟(New Media Consortium,NMC)在2013年地平线报告中首次将3D打印技术列为教育领域未来4-5年内待普及应用的创新型技术。鉴于3D打印技术在教育改革与创新层面的无限潜力,本文将从介绍3D打印原理切入,深入分析3D打印技术在教育中的作用,并构建基于3D打印技术的教学应用模式。
一、3D打印的原理
3D打印是快速成型工业形式的桌面级替代方案。围绕3D打印机的很多讨论源于制造者文化,即由设计者、程序员及其他对科学和工程尝试使用DIY(自己动手做)方法的人群形成的兴趣共同体。其独特之处在于无需机械加工和模具作为辅助,只需设计者根据用户的个性化需求,通过3D建模软件进行模型设计与构建,然后打印机读取模型数据进行打印输出即可。3D打印技术与传统打印技术的区别主要有两个方面:其一,3D打印首先需要进行数字化三维模型构建,传统打印技术并不需要构建数字化三维模型;其二,传统打印使用墨水进行打印,而3D打印利用实实在在的原材料制作实物模型。以制作过程为视角,3D打印需要经历物理对象的设计与构建、打印输出、后期处理三个主要阶段。具体打印流程如图1所示。
[计算机辅助设计][三维建模][计算机辅助断层扫描][三维扫描][数据传输][模型分切][剖面信息读取][打印介质][支撑物][材料匹配][切片粘合][切片打印][固化处理][剥离][修整][上色][表面打磨][物理对象的设计与构建][成品][打印输出][后期处理]
图1 3D打印基本流程
(一)物理对象的设计与构建
物理对象的设计与构建阶段涉及两个方面:三维建模和三维扫描。3D打印的关键阶段是模型设计与构建,这直接决定作品比例是否协调,设计是否残缺,结构是否合理,亦或是否符合心中期望。三维建模和可视化对物理实体的最终打印效果也有重要影响,可以使用与计算机辅助设计或计算机动画建模相关的三维建模软件来设计和构建欲打印的物理实体的三维模型,例如:
AutoCAD、3D Max、SketchUp等。也可利用计算机辅助断层扫描通过对物体空间外形和结构进行扫描以获取物体空间坐标继而转换为数字信号,直接生成三维模型,亦或直接使用或是修改已有的模型作品。
(二)打印输出
在打印输出阶段经历的步骤有:数据