3D打印在創(chuàng)客教育中的作用及意義

3D打印技術(shù)及教課應(yīng)用

報告人：周鋼湖北嘉一三維高科股份有限公司華中科技大學資料科學與工程學院華中科技大學資料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室湖北省3D打印產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略締盟2016.093D打印在創(chuàng)客教育中的作用及意義報告內(nèi)容3D打印技術(shù)在制造業(yè)中的地位3D打印技術(shù)對制造業(yè)的意義3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用1.13D打印技術(shù)在制造業(yè)中的地位制造技術(shù)分類減材制造切削加工等切削機床粉、片、液、絲等增材制造制造裝備？？？？？？？？？原理工藝設(shè)備方法論等材制造鑄造、鍛造等鍛造機等3000年300年30年報告內(nèi)容3D打印技術(shù)在制造業(yè)中的地位3D打印技術(shù)對制造業(yè)的意義3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用形狀復雜性幾乎任意復雜程度的形狀特點資料復雜性全彩色、異質(zhì)資料、功能梯度資料層次復雜性多尺度（宏、介、微觀）工藝結(jié)構(gòu)功能復雜性整體成形，簡化甚至撤消裝置對各行各業(yè)勢必帶來深遠影響整體成形，免裝置復雜形狀全彩色工藝品彩色異質(zhì)結(jié)構(gòu)眼鏡2.13D打印技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的4個復雜性拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間：設(shè)計人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源拘束，專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，在“設(shè)計即生產(chǎn)”、“設(shè)計即產(chǎn)品”理念下，追求“創(chuàng)立無極限”。在零零件的設(shè)計上能夠采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需考慮加工問題，解決了傳統(tǒng)的航空航天、船舶、汽車等動力裝備高端復雜精美結(jié)構(gòu)零零件的制造難題。2.23D打印技術(shù)為制造供應(yīng)創(chuàng)新的原動力極大降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期：因為簡化或省略了工藝準備、試驗等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、制造、分析高度一體化，明顯縮短新產(chǎn)品開發(fā)定型周期，降低成本，實現(xiàn)“今日達成設(shè)計，明天獲取成品”。設(shè)計試驗工藝準備制造縮短周期設(shè)計工藝準備制造六缸發(fā)動機缸蓋傳統(tǒng)砂型鍛造工裝模具設(shè)計制造周期長達5個月，3D打印只需一周即可制成。2.23D打印技術(shù)為制造供應(yīng)創(chuàng)新的原動力學生的創(chuàng)新設(shè)計不再是“紙上談兵”3D打印出塑料和金真實物本科生課外創(chuàng)新設(shè)計大賽作品“液壓回路演示系統(tǒng)”模型一周內(nèi)2.23D打印技術(shù)為制造供應(yīng)創(chuàng)新的原動力簡化制造提高產(chǎn)質(zhì)量量與性能據(jù)悉，一架“空客A380”飛機或“波音747”飛機，分別約有450多萬個零零件，從理論上說，零零件越多越不安全，聯(lián)合部常常就是隱患。3D打印技術(shù)的一個明顯優(yōu)勢就是能夠?qū)⒍鄠€零零件會合成一個整系統(tǒng)造出來，減少零零件的數(shù)目，不僅大大簡化了以后的裝置工作，也是其安全性和可靠性隨之提高。此鈦合金復雜大型主承力構(gòu)件，傳統(tǒng)制造方式需要分系統(tǒng)造，而后焊接，而使用激光3D打印整體可實現(xiàn)成形，安全性和可靠性大大提高。2.33D打印技術(shù)可提高制造的工藝能力能制造出傳統(tǒng)工藝無法加工的零零件，極大增強了工藝實現(xiàn)能力3D打印打破了卻構(gòu)幾何拘束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的特別規(guī)結(jié)構(gòu)特點，這種工藝能力對于實現(xiàn)零零件輕量化、優(yōu)化性能有極其重要的意義。航空發(fā)動機的復雜關(guān)鍵零部件2.33D打印技術(shù)可提高制造的工藝能力提高了難加工資料可加工性，拓展了工程應(yīng)用領(lǐng)域整體式鎳合金轉(zhuǎn)子生物資料人體器官修復體高能束加工陶瓷、鈦合金等傳統(tǒng)難加工資料零件拓展了高性能資料的工程應(yīng)用范圍；采用金屬/無機/有機生物資料制成的人體器官修復體等醫(yī)用零零件則拓展了工業(yè)制品的應(yīng)用范圍。2.33D打印技術(shù)可提高制造的工藝能力3D打印制造技術(shù)促進綠色制造模式非接觸和無壓力成形、近凈成形能耗低、節(jié)儉資料、污染物排放少；利用3D打印實現(xiàn)大型復雜零零件的修復再制造，節(jié)儉資源能源。2.43D打印技術(shù)實現(xiàn)制造的綠色可連續(xù)發(fā)展重點創(chuàng)新思路：將零件內(nèi)部設(shè)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，代替實心，從而減少資料使用量，降低制造時間和能源耗費量。具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦合金發(fā)動機葉片材料使用量減少70%，選擇性激光熔化（SLM）制造時間降低60%技術(shù)難點：（1）傳統(tǒng)制造方法無法成形；（2）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化性能。3D打印制造技術(shù)促進綠色制造模式2.43D打印技術(shù)實現(xiàn)制造的綠色可連續(xù)發(fā)展3D打印技術(shù)可優(yōu)化零件設(shè)計優(yōu)化零件設(shè)計飛機客艙零件設(shè)計對照（a）（b）（c）不同制造方案資料、能耗、碳排放量對照2.43D打印技術(shù)實現(xiàn)制造的綠色可連續(xù)發(fā)展改革傳統(tǒng)制造模式，形成新式制造系統(tǒng)：集成與交融資料制備、IT軟件、設(shè)計技術(shù)、制造工藝、裝備等，生產(chǎn)個性化、高性能、復雜零零件的3D打印制造系統(tǒng)全面改革產(chǎn)品研發(fā)、制造、服務(wù)模式。復雜零件/高性能零件/醫(yī)用零件/生活用品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計反求設(shè)計分析仿真設(shè)計方法光固化成形激光燒結(jié)熔融堆積成形制造工藝合金資料/復合資料/納米資料/分子資料資料制備3D打印制造裝備專業(yè)軟件工藝裝備產(chǎn)品零零件服務(wù)研發(fā)制造2.53D打印技術(shù)將催生新的制造模式支撐個性化定制等高級創(chuàng)新模式實現(xiàn)：3D打印使“按需而制”、“因人定制”和“泛在制造”等得以實現(xiàn)催生專業(yè)化創(chuàng)新服務(wù)模式催生供應(yīng)產(chǎn)品快速制造有關(guān)服務(wù)的中小公司生產(chǎn)性服務(wù)模式，實現(xiàn)“聚合服務(wù)制造”催生以創(chuàng)意與設(shè)計創(chuàng)新為主的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)2.53D打印技術(shù)將催生新的制造模式跟著3D打印技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了社會制造模式雛形。Shapeways：該公司于2007年創(chuàng)辦于荷蘭，后將總部移至美國紐約市，到現(xiàn)在獲取了數(shù)千美元的風險投資。2012年10月，該公司在紐約皇后區(qū)的“未來工廠”投入運營?！拔磥砉S”里的機器，就是50臺工業(yè)3D打印機，經(jīng)過Facebook和Twitter等社會媒體，接受顧客的各種產(chǎn)品的三維設(shè)計方案，并在數(shù)天內(nèi)達成產(chǎn)品的打印生產(chǎn)，而后寄送給客戶。同時，該公司還為商家和設(shè)計者成立了平臺，使他們能夠再利用該公司的3D打印機生產(chǎn)并銷售自己設(shè)計或采集的產(chǎn)品。目前該公司已有15萬平臺會員，6000余名設(shè)計師。至2012年6月20，已經(jīng)打印了100多萬3D產(chǎn)品。2.53D打印技術(shù)將催生新的制造模式Quirky：該公司于2009年成立于美國紐約，到現(xiàn)在已獲取了近億美金的風險投資，開創(chuàng)人BenKaufman僅25歲。Quirky的特點是眾包：公司經(jīng)過Facebook和Twitter等社會媒體接受公眾的產(chǎn)品設(shè)計思路，并由公司注冊的用戶進行談?wù)摵屯镀?，這樣每周挑出一個產(chǎn)品進行3D打印生產(chǎn)，參加產(chǎn)品的設(shè)計和修正過程的眾包人員可分享30%的營業(yè)額。公司還進一步將眾包設(shè)計改進的過程同時轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)過社會媒體來介紹有關(guān)產(chǎn)品的過程，從而創(chuàng)立性地拓展了銷售市場。目前，該公司每年僅生產(chǎn)60種產(chǎn)品，產(chǎn)品的提交費由最初的99美元降至此刻的10美元，公司注冊的用戶每個月以20%增加。2.53D打印技術(shù)將催生新的制造模式網(wǎng)友參加設(shè)計的個性化產(chǎn)品本源：Quirky公司本源：Shapeways公司2.53D打印技術(shù)將催生新的制造模式報告內(nèi)容3D打印技術(shù)在制造業(yè)中的地位3D打印技術(shù)對制造業(yè)的意義3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用單色多色、以致表面紋理、全彩色Objet500connex3打印出的彩色異質(zhì)結(jié)構(gòu)眼鏡ZPrinter850打印出的工藝品McorIRIS的彩色噴墨打印與LOM復合實現(xiàn)全彩色打印3.1由單色向全彩色方向發(fā)展單材料多資料和功能梯度資料ObjetConnex500打印出的由7種不同資料混淆的小車模型德國斯圖加特大學打印的功能梯度混凝土，其強度、導熱系數(shù)、氣密性都較傳統(tǒng)工藝混凝土有了提高3.2由單資料向多資料和功能梯度資料方向發(fā)展宏觀工藝結(jié)構(gòu)多尺度工藝結(jié)構(gòu)一體化擁有內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)描述的三維模型控制溫度等參數(shù)定向結(jié)晶組織控制10μm微觀結(jié)構(gòu)3.3由宏觀結(jié)構(gòu)向多尺度結(jié)構(gòu)一體化方向發(fā)展微結(jié)構(gòu)用同一種資料，打印出不同彈性模量的組織結(jié)構(gòu)使用一種資料，實現(xiàn)毛絨玩具各部位不同的柔嫩度及觸感（紅硬、綠軟）用3D打印實現(xiàn)了“超資料（Metamaterial）”----以一種資料為基礎(chǔ)制造的單元結(jié)構(gòu)塊，幾乎可任意控制彈性模量（楊氏模量和泊松比）--迪士尼瑞士研究所3.4用同一種資料打印出不同彈性模量的結(jié)構(gòu)納米尺度的微觀3D打印原理：鑒于DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、易于擺列的特點，成立“分子支架”和“納米模具”，而后在此基礎(chǔ)大將指定資料分子固定在上面，形成穩(wěn)固的、納米尺度的微觀工藝結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)方法：經(jīng)過計算模型將納米尺度的形狀映照為特定的DNA序列，鑒于“DNA折紙”(DNAorigami)技術(shù)的方法，用DNA制造一些渺小的二維結(jié)構(gòu)，再以增材制造的原理拓展到三維空間形成三維結(jié)構(gòu)。--MIT3.5納米尺度的微觀3D打印3.63D打印柔性光電器件劍橋大學以石墨烯為資料，使用噴墨打印機，打印出透明薄膜晶體管。美國施樂PARC研發(fā)中心使用油墨發(fā)射的方式，印制多種零件的電路，包含柔性顯示屏、傳感器和射頻防盜標簽天線。美國Kateevas公司噴墨打印屏幕北卡州立大學研究一種液態(tài)金屬打印技術(shù)中科院理化所采用室溫液態(tài)金屬打印柔性電子電路柔性電路板及光電賀卡液態(tài)金屬3.7生命體的再造用3D打印培養(yǎng)的人體血管系統(tǒng)3D打印的迷肝臟3D打印與資料基因工程美國資料基因組計劃（MaterialsGenomeInitiative，簡稱MGI）：實質(zhì)在于經(jīng)過促進資料科學中實驗技術(shù)、計算技術(shù)和數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和共享成立資料多尺度結(jié)構(gòu)（從原子擺列、相的形成、顯微組織的形成）到資料性能與使用壽命之間的相互關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，并與計算資料設(shè)計聯(lián)合起來，以期加快新資料研發(fā)速度知識庫材料設(shè)計服役行為工藝尋優(yōu)成本控制材料制備性能表征材料制備性能表征3.83D打印指定結(jié)構(gòu)和性能的資料-創(chuàng)材3.83D打印指定結(jié)構(gòu)和性能的資料-創(chuàng)材3D打印與資料基因工程鑒于前述的多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，我們能夠鑒于資料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫“打印”出指定結(jié)構(gòu)、性能的資料并構(gòu)成預期的宏觀形狀！材料合成制備器件集成微觀機制與結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系微結(jié)構(gòu)表征性能測量多尺度材料模擬材料設(shè)計材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成與知識庫原子尺度介觀尺度宏觀尺度尺度問題光電材料熱電材料儲能節(jié)能材料鐵電壓電復合材料透明陶瓷器件設(shè)計結(jié)構(gòu)功能一體結(jié)構(gòu)設(shè)計力熱穩(wěn)定性系統(tǒng)集成服役失效機制工藝尋優(yōu)多尺度3D打印與傳統(tǒng)制造工藝復合日本松浦金屬激光造型復合加工機LUMEXAdvance-25純激光三維打印加工的表面粗拙制件復合成形技術(shù)加工的精美制件DMGMori混淆銑床Lasertec65AdditiveManufacturing激光三維打印精美化銑削加工3.93D打印與傳統(tǒng)制造工藝復合走進醫(yī)院、教育、千家萬戶在不久的未來，老百姓化的價錢和傻瓜式的操作使每個人都能擁有一臺桌面型的3D打印機，3D打印機遇像智好手機相同獲取普及，足不出戶就能在家中、在辦公室中為所欲為打印自己想要的模型。3.10走進醫(yī)院、教育、千家萬戶，……未來的家庭3.10走進醫(yī)院、教育、千家萬戶，……未來的工廠3.10走進醫(yī)院、教育、千家萬戶，……社會化制造3.11形成社會化制造報告內(nèi)容3D打印技術(shù)在制造業(yè)中的地位3D打印技術(shù)對制造業(yè)的意義3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用4.13D打印在創(chuàng)客教育中的重要價值與意義發(fā)達國家的3D打印技術(shù)早已進入教育領(lǐng)域。如美國幾乎所有的大學、中學、小學都開設(shè)了3D打印創(chuàng)客講堂，經(jīng)過3D打印技術(shù)的學習，對青少年進行創(chuàng)新意識、技術(shù)手段的培養(yǎng)，3D打印成為“美國智造”的有力手段。經(jīng)過新技術(shù)來吸引學生投入到科學、技術(shù)、工程和數(shù)學學習中，成為新一代高級設(shè)計師和工程師，在未來國家科技競爭中起到引領(lǐng)作用。每個孩子都是天生的創(chuàng)立者，都潛能無窮，發(fā)展無窮，自由的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)立是他們生命的需要。教育工作者要尊敬每個學生的需求，特別是在他們最有創(chuàng)立力的時候。實現(xiàn)虛假世界與實體世界的有機聯(lián)合，3D打印進校園將使得學生在創(chuàng)新能力和著手實踐能力上獲取訓練，將學生的創(chuàng)意、想象變?yōu)楝F(xiàn)實，將極大發(fā)展學生著手和動腦的能力，從而實現(xiàn)學校培養(yǎng)方式的改革。4.13D打印在創(chuàng)客教育中的重要價值與意義在數(shù)學課上，打印出一個幾何體的模型，便能夠更直觀地幫助學生認識幾何內(nèi)部各元素之間的聯(lián)系，分析幾何的學習將更輕松；在美術(shù)課上，將平面設(shè)計的作品制作成3D版本的藝術(shù)品以及一些基本的模型，空間構(gòu)圖的思想更簡單傳達給學生；在化學課上，老師能夠?qū)⒎肿幽Ｐ痛蛴〕鰜盹@現(xiàn)，更有利于學生理解化學反響的過程；在生物課上，打印出細胞、病毒、器官和其余重要的生物樣本，比起平面圖要直觀得多。4.13D打印在創(chuàng)客教育中的重要價值與意義青蛙解剖模型DNA分子結(jié)構(gòu)行星齒輪模型減速箱機構(gòu)模型4.13D打印在創(chuàng)客教育中的重要價值與意義3D打印創(chuàng)客講堂對青少年的影響：3D打印創(chuàng)客講堂能夠給孩子的“學習方法”帶來新的思慮，讓抽象的教課看法更為簡單理解，能夠激發(fā)孩子對科學、數(shù)學特別是工程和設(shè)計創(chuàng)意的興趣，帶來實踐與理論、知識與思想、現(xiàn)實與未來三方面的相互聯(lián)合：1、3D打印讓孩子的想象更簡單變?yōu)楝F(xiàn)實，培養(yǎng)孩子的創(chuàng)新意識，鼓舞孩子的創(chuàng)新實踐；2、學習應(yīng)用簡略建模軟件，發(fā)展立體空間思想；3、經(jīng)過3D打印實體的觸覺過程，為孩子們成立一種新式的學習通道；4、選擇貼近生活的建模主題，培養(yǎng)孩子解決生活實質(zhì)問題的能力。4.13D打印在創(chuàng)客教育中的重要價值與意義某3D打印少兒夏令營的孩子們的作品：一共45名孩子（最大的8歲，最小的剛滿5歲），在老師的帶領(lǐng)下，5個全天的制作，達成了國內(nèi)以致全世界的第一幅3D打印動物園。每一個小動物、獸欄所有都是由3D打印體制作，大多