3D 打印教育应用指南

从 K-12 学校到研究生高校项目，3D 打印都是教育工作者鼓励学生积极参与学习过程的一种方式。尽管有关不同学习方式和各种教学方法的效率研究比比皆是，众多传统教育仍依赖于对阅读材料的死记硬背。而 3D 打印将使学生能够实际操作已打印完毕的教具或亲手设计各种工具，从而真正打破学生与教学主题之间的壁垒。 

尤其对于 K-12 学生而言，3D 打印为课堂带来的动手实践机会将有助于提高他们的参与度。为了将理论付诸于实践，Formlabs 与位于马萨诸塞州多尔切斯特的公立高中 Tech Boston Academy 展开合作，合作内容主要聚焦于技术教育。在为期 13 周的项目课程中，Formlabs 员工举办了讲座，在基于项目的课程中为学生提供指导，并以一场“黑客马拉松”活动完美收官；在该活动中，学生学会了设计、建模并利用 3D 打印制作工具。学生们充分发挥了解决问题的能力并利用 CAD 技能开发解决方案，然后使用 Formlabs 3D 打印机将想法变为现实。一名学生表示在项目中他们最喜欢的一点就是，“能够将构思的物体具体化为可以触摸的实物。”

这种亲自参与的互动式体验为年轻人的成长提供了十分宝贵的经历。但在如今的教学环境中，面对面指导并非总是可行。而 3D 打印则确保了每名学生都有机会获得所需的实践工具，同时教师可以在必要时更改工具或打印额外的工具。“我们的课程非常注重实物教学。我们需要机器、构建工具和激光切割机。而在疫情期间，我们最大的难处在于无法进行大量建模或获得实物，”肯塔基大学的建筑学教授 Michael Silver 表示。凭借以前在大学实验室中积累的 Formlabs 3D 打印机使用经验，Silver 可利用家中购置的 Form 2 接收学生们发送的 STL 文件并打印模型，以便在课程的期末评估阶段进行讨论。“在隔离期间，我们也能继续制作实物。虽然隔离时我们只能通过 Zoom 联系，但 3D 打印使我们仍然能够制作实际原型并进行远程学习，”Silver 说道。 

无论您身处哪个国家，牙科学校的学费都很昂贵。其中的一部分成本就花费在购置牙科学生在学习过程中需要用到的，高度专业的工具上面。土耳其 Canakkale Onsekiz Mart University 牙科学院的讲师 Gülşah Uslu 博士开始使用 3D 打印机来降低成本；她为每名学生提供了一套工具，而并未让学生们承担相应的费用。

通常情况下，牙科学生需要在完成实践培训项目后，才能进入诊所在监督下治疗他们的首位病人。这种培训可以使用人工解剖模型进行，也可在拔牙时进行，但这两种方式的成本均十分高昂且难以实现。Uslu 博士转而使用 3D 打印技术并生产了 13000 余个精确的人工牙齿解剖模型，以便每名学生都能持续参与实践学习，而无需依赖数字学习模块或与同学共用工具。在该技术的帮助下，Uslu 博士得以继续坚持其高标准的教学方式，而学生们则能够专注于个性化教学工具，从而在巩固所学所得的同时，提高了参与度。

以实践培训作为项目的主要宗旨，Morrison Tech 与当地行业领袖合作提供基于经验的实用课程。Morrison Tech 的负责人 Chris Scott 认为 3D 打印可以促进标准制造工艺的发展，这既有利于如今在课堂中学习 3D 打印技术的学生，也有利于他们日后就职的公司。“[借助 3D 打印技术]我们可以更清晰地了解事物，并指出可能出现问题的环节，或是不利于消费者的功能或外观，”Scott 表示。“而第二个关键问题则是我们如何更快、更积极地将产品推向市场，我认为这才是增材制造真正的闪光点。我们可以缩短设计周期。”

在 Scott 看来，相比仅使用数字媒介，利用 3D 打印开展实践学习可帮助学生更快地找出问题所在。Morrison Tech 多年来一直将 3D 打印技术集成至课程中，这不仅有助于学生加快学习进程，并可通过与 Wahl Clippers、John Deere 以及 Caterpillar 等当地行业领袖的合作，为学生在制造业领域的职业发展提供助力。

Morrison Tech 与当地行业领袖合作开展项目，提供指导和实习机会。此类产学关系对于希望获得推荐信、实践经验以及现实问题解决能力的学生而言是十分宝贵的。随着制造商不断扩展其 3D 业务并寻找技能娴熟的职员，3D 打印技术日益成为此类实践经验的重要部分。

3D 打印为学生们提供了便捷方式，让他们在实习和初入职场时就可以为公司做出有意义的贡献。传统的大型制造方法依赖于昂贵的设备和结构化的工作流程，学生们需要观察无足轻重的结构或被分配到毫无意义的工作中。有了 3D 打印，学生们便掌握了主动权，可以利用 CAD 技能设计产品想法或备件，这是当今可能没有时间或不具备知识基础的工作人员无法完成的。学生获得了宝贵的经验和技能，而企业无需任何成本即可获得新的观点或切实可行的解决方案。

不仅仅是大型企业可以获益，当地初创企业和小型制造商也可与宾夕法尼亚州立大学创新中心的学生合作进行 3D 打印，以生产小批量成品部件。其中的一个项目就是因为当地企业所有者无力承担小批量制造工具的成本，所以学生为其打印了部件。学生能够解决实际预算问题，并利用 3D 打印来设计解决方案，即直接使用 3D 打印制作部件来替代注射成型工艺。创新中心主任 Ryan Mandell 告诉我们：“一家当地企业所有者想要打印 20 个塑料部件，因此我们考虑了一系列 Formlabs 材料，找了满足需求的材料，并决定使用 Form 3L 一次成型 20 个塑料部件。尽管因为 20 个部件太少，注射成型公司拒绝了他们，但这确实是 3D 打印技术的用武之地。” 该中心的学生们能够为这家当地企业所有者提供明确的咨询和制造服务，以此来帮助当地社区，为他们的履历添砖加瓦。

在亚瓦派学院，航空航天科学、3D 打印和制造专业主任 Matthew Mintzmyer 可帮助学生在各行各业就职做好准备，而近期的毕业生已在牙科医学、曼达洛电视节目道具组以及建筑等众多领域展开工作。“具体的应用不计其数。如果在学校内没有接触过 3D 打印业务，那么他们就已经落后了。你会在批判性思维、数学、创造力等各个方面有所收获。无需花费 100000 美元的入门成本，这些打印机的价格非常实惠，”Mintzmyer 表示。 

Mintzmyer 可利用他的 3D 打印机来改善亚瓦派学院学生的学习体验，并为他们提供更多的行业机会。COBOD 是一家混凝土 3D 打印建筑公司，该公司会将每名新入职的技术人员派送至亚瓦派学院学习如何维修、操作并维护大型工业级混凝土 3D 打印机。亚瓦派学院能获得这个业务机会完全是因为 Mintzmyer 对 3D 打印技术的早期投资和应用。他可使用 Formlabs SLA 和 SLS 3D 打印机来打印原型、夹具、成品部件，并可对其他 3D 打印机的多个部件进行维修。亚瓦派学院的学生可以获得第一手信息来了解在蓬勃发展的行业中获得一份薪资可观的工作需要哪些条件，并与 COBOD 工程师一同参与培训项目。

不同学科之间的联系从未如此紧密。随着数字化程度不断增加，创意和制造等传统产品生命周期的不同元素出现了进一步的交融。3D 打印是其中的一个重要部分，它加速了产品生命周期中的各个阶段，从而简化了整个发展过程；而与此同时，各个学科呈现出相互融合、相互促进的态势。这种业务协作模式在教育机构的创客空间和制造实验室中也体现得淋漓尽致。 

德雷塞尔大学西法尔媒体艺术与设计学院为希望从事动画、时装、虚拟现实等行业的学生提供项目，并以混合制造实验室为中心，提供每种类型的项目。制造中心主任 Erik Sundquist 告诉我们，“学生们会将 3D 打印技术用于建筑模型、时装设计、配饰、服装五金等。有很多学生对完全利用 3D 打印制作的铰接式织物很感兴趣。”

德雷塞尔大学混合制造实验室的产品设计论文高级课题项目（左）和雕塑班的 3D 扫描和打印鱼骨（右）。（照片由德雷塞尔大学混合制造实验室提供）。

Sundquist 为学生提供了培训空间，然后由学生自己进行管理并负责教授其他学生，无论该项目与其自己的学科是否存在差异。“这种方式更民主，也更适合跨学科学习，”Sundquist 表示。他目睹了时装专业的学生为了在作品中明确表达自己的理念，而向工程专业和产品设计专业的学生寻求帮助，而且还看到过一些完全相反的情况。学生们集中在实验室中，以便更好地协作、分享想法和交流专业知识，而 3D 打印技术恰好能够为这种即兴的头脑风暴会议提供助力。时装专业的学生可能只会看到整体图片，例如一条链甲裙，但是需要工程专业的同学帮忙设计每个链环之间的公差，或选择使用哪种技术来制造无支撑打印结构。

3D 打印使学生能够尝试加入新的俱乐部或协会，并将课堂中学到的技能运用到全新的应用中。柏林工业大学的学生依靠 3D 打印开发高性能赛车，用于参加方程式学生赛车比赛。这些车辆既有着一定的耐用性、耐高温性以及抗冲击性要求，同时还要尽量保持轻量化。柏林工业大学团队通常由 90 名学生组成，他们使用 Formlabs SLA 打印机来实现碳纤维成型过程并制作成品部件。 

用于成型碳纤维方向盘外壳（左图，右侧）的模具（左图，左侧）以及复杂拓扑优化安装的原型（右图），均使用 Form 3 SLA 3D 打印机打印。

柏林工业大学团队利用准确可靠、简单易用的 3D 打印机扩大了产量，他们每年可以在学年内生产三辆赛车，并完成从设计到比赛的全过程。这项技术帮助这群年轻学生从事他们热爱的事情，每年不仅是生产一辆，而是在国际舞台上推出三款高性能产品。如果他们将这些工作外包或是依靠指导教师来操作更昂贵的机器，那么他们将无法达到提升技能、获得主人翁意识并激励自主性的目的。是 Formlabs 3D 打印机的经济性和可及性激发了他们的创造力和生产力。

FDM 3D 打印机可能仍然是教育领域中最为普遍的 3D 打印机类型，其原理是通过熔化和挤出热塑性长丝使部件成型，打印机喷嘴会将热塑性长丝逐层沉积在成型区域。该产品的优势在于其出色的可扩展性和经济性，以及简单易懂的技术原理；刚刚开始学习使用 CAD 的中小学生也能轻松理解掌握相应概念。

尽管制造商制造的 FDM 打印机售价高昂（通常高达 50000 美元），但教育工作者使用的大多数打印机成本仅为大约 1000－4000 美元。FDM 打印机可通过直观的流程快速制作部件，从而成为年轻学生的绝佳入门设备。但在学生开始设计功能性部件和多部件组件后，较差的表面光洁度和精确度俨然成为了一个问题。此外，部件质量较差且材料选择范围较窄也意味着 FDM 打印机所能支持的应用比较有限；在高等教育环境中进行研究时，该问题会更加突出。作为 3D 打印技术体系中的一环，FDM 3D 打印机是一个不错的起点，但应该与其他更为先进的 3D 打印机类型结合起来进行学习。

 最初，教育工作者在应用传统的 SLA 3D 打印机时进展较为缓慢，这主要是因为设备价格远远超出了学校的常规预算。随后，Form 2 和 Form 3 等桌面级 SLA 3D 打印机的出现提升了该项技术的可及性，且其可靠性和专业质量也得到了印证，因此已经成为了每名教育工作者工具包中值得信赖的工具。 

对研究实验室来说，支持多种高性能材料意味着可将打印机添加到特定项目中，然后随着新项目的涌现重复使用，只需简单地切换为最适合的材料即可；该产品支持高温应用流体学、透明和生物相容性细胞支架、抗冲击固定装置以及铸造等应用。在制造实验室或创客空间等开放性区域，Form 3L 提供的材料多样性和大型成型体积将持续发光发热。可在使用相同材料的情况下将多个学生的项目一次性放入成型体积内，且完成后即可将其切换为一种新材料和一组新项目。树脂处理和树脂盒系统简化了维护和操作。

从传统角度而言，三种主要的塑料 3D 打印技术类型中最为昂贵的就是 SLS 3D 打印机，例如 Formlabs Fuse 系列打印机；该产品可用来制作功能性原型和具有出色机械性能的成品部件。该技术可利用高功率激光将微小的粉末颗粒选择性地烧结为所需文件中的横截面形状，然后逐层重复该过程，在每一层都由周围粉末床提供支撑的情况下进行部件成型。

在 Fuse 系列上市之前，SLS 3D 打印机的售价最低为 200000 美元，且通常还会更加昂贵；这远远超出了多数大学的运营预算范围。虽然一些工程和制造项目能够获得大量资金来购置这些设备，但其占用面积大、工作流程复杂和所需基础设施成本高昂等特点都决定了只有少数学生有机会使用。

  2020 年 Formlabs 推出 Fuse 1 之后，各级教育工作者终于能够将工业质量的 SLS 技术引入内部，让他们的学生有机会针对真实应用制造成品部件并积累粉末床 3D 打印经验。为了规避金属 3D 打印技术较高的错误成本和错误发生率，创客空间 USNA 的 Baker 上校让学生们在该项技术成熟之前先使用 Fuse 1 SLS 3D 打印机。NOAA AOML 实验室与迈阿密大学海洋和大气研究合作研究所 (CIMAS) 展开合作，使用 Fuse 1 SLS 打印机为珊瑚采样设备打印了坚固的水下外壳。        

研究实验室在范围、规模和主题方面各有差异，但因为都致力于促进科学理解，在多年前就已经将 3D 打印等尖端技术纳入实验室中。在夏威夷大学的纳米技术实验中，一名本科生负责操作和维护 Form 3 和 Form 3L SLA 打印机，用于帮助本科生、研究生和博士研究生制造研究材料。打印机在实验室中最大型的用例是为高性能陶瓷纳米材料制作可牺牲压模。

“我们需要一种解决方案，可以非常快速地制造具有结构完整性和光滑表面处理效果的原型和模具。我们购置了 Form 3，令我们非常高兴的是这台打印机有最大的合法材料目录。至于 Form 3L，我们希望能够为制造大型陶瓷模具选择具有更大外形尺寸的打印机，”这名学生告诉我们。 

伦敦大学药剂学院使用打印机作为解剖部件的可视化工具。例如，胃肠道模型有助于学生理解人体如何处理食物（和药物）及其如何通过人体，从而帮助他们理解如何安全地为患者用药。Formlabs 打印机的准确性可支持研究人员制造人体中极其复杂系统的逼真模型。“我使用 Formlabs 3D 打印机打印医疗器械的模型，以用于通气治疗项目，”UCL Hilton 实验室的博士学生 Muwaffak Hassan 表示。“这台打印机非常容易使用、非常准确，同时精细度很高。”

对于生命科学专业的学生而言，精度和准确性非常重要。他们的项目是研究实际救生设备和做法。拥有正确表示人体的精确工具，或具有接触皮肤或黏膜所需的生物相容性，对于他们的成功至关重要，甚至关乎患者的健康。

创客空间和制造实验室通常面向形形色色的庞大学生群体开放，有些也面向周围社区、教授或当地 K-12 项目开放。因为用途不可预测，创客空间负责人难以提前规划并制定预算。即使在仅面向大学或学院学生开放时，业务最繁忙的时候可能只仅限于期末交付最终项目。因此，传统来说在考虑用于创客空间的 3D 打印机时，数量比质量更重要，负责人需要确保用户激增时，他们能在尽量减少监督、安排和培训的条件下使用 3D 打印机。 

多年来，这导致大量安装的 FDM 打印机一直是创客空间的主要（有时是唯一）可用技术。但在过去的五年中，由于众多原因，Form 3+、Form 3B+、Form 3L 和 Fuse 系列等 3D 打印机备受青睐。

Formlabs 打印机套件将贵价 3D 打印机的工业实力和精度以及入门级机器的易用性和经济性集于一身。此外，材料种类繁多意味着创客空间可以提供一台打印机与多种适宜的材料，以供工程、产品设计、珠宝、时装、材料科学或制造专业的学生使用。直观的工作流程可帮助学生快速掌握必要操作知识，而可靠的 SLA 和 SLS 打印引擎则可确保将维护或监督需求降至最低。

在美国海军学院的 MakerSpaceUSNA，来自任何专业的任何一名学生都可以使用 FDM、SLA 和 SLS 技术。多年来，创客空间负责人 Brad Baker 上校不断扩充 Formlabs 机器的阵容，并表示打印机的可靠性和一致性是他持续投资的主要原因。“SLA 打印机的失败率极低。我告诉[学生们]，‘等你们使用 SLS 就知道了。’ 而 SLS [Fuse 系列]的失败率几乎是 0。几乎没有故障，材料性能很好，精度也很高，”Baker 表示。

尽管很多大学将金融或管理方面的创业课程纳入了其商学院的常规课程设置中，却很少有学校在课程之外提供硬件产品设计和开发支持。最近一些商学院试图通过为小型企业（特别是硬件和产品设计企业）提供大量支持和资源来提升自身的独特性。 

在位于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学中，HATCH Venture Builder 合作机构通过咨询团队、办公空间、增（降）压舱以及高水准的创客空间为学生和校友团队提供支持。Hatch 提供 Form 3 等 3D 打印机和一系列材料，以及与产品设计和上市策略相关的建议和辅导。他们依靠 Formlabs 的专业级 3D 打印机来帮助孵化基地的成员向潜在投资者和制造商展示高质量的功能性原型或成品部件。在宾夕法尼亚州立大学，Mandell 和创新中心致力于提供“最好的工具，以便个人和团体可以开发出强大的概念验证，从而为实现自己的想法募集资金。”