產品造型與3D打印教學初探

姚念近

【摘 要】產品造型與3D打印是一種新興的快速成型技術，它以數字模型文件為基礎，通過逐點，逐面進行材料的“三維堆砌"成型。本文概括介紹了該項技術目前的發(fā)展現狀和以后的發(fā)展前景，并就模具專業(yè)引入產品造型與3D打印技術課程，在教學組織及課堂教學實踐等方面進行了一定的探究。

【關鍵詞】產品造型設計；3D打?。唤虒W實施

1、產品造型與3D打印技術的應用

產品造型與3D打印主要應用于快速原型制造技術，而快速原型制造技術簡稱RP，它是一種借助于計算機輔助設計，或用實體反求方法采集得到有關原型或零件的幾何形狀，結構和材料的組合信息，并以此建立數字化模型，然后將模型輸出到計算機控制的集成制造系統(tǒng)，通過逐點，逐面進行材料的“三維堆砌"成型，再經過必要的處理，使其在外觀，強度和性能等方面達到設計要求，從而達到快速，準確地制造原型，實際零件或產品的現代制造方法。

隨著計算機數字技術的不斷發(fā)展，計算機輔助產品造型設計在快速原型制造中的作用越來越重要，三維數字建模與結構設計、逆向工程等環(huán)節(jié)都離不開計算機輔助設計，3D打?。?Dprinting）作為快速制造技術的一種，它以軟件數字建模為基礎，運用塑料、金屬、陶瓷、橡膠、玻璃、色砂等多種可粘合材料，通過逐層增加材料“打印”出三維實物產品。在產品的設計過程中，設計師通常利用計算機完成產品的數字化造型設計，然后通過3D打印輸出產品原型。

產品造型與3D打印技術的應用領域非常廣泛，造型通常應用3D軟件完成，主流的造型軟件有Pro Engineer、UG、Mastercam、CATIA、CIMATRON、3DMAX等，設計師應用造型軟件進創(chuàng)建數字化模型，然后輸出轉化為3D打印機能夠接受的文件格式，后面的工作就由3D打印機完成了。

根據3D打印技術應用特點不同，可將3D打印設備分為SLA和FDM兩種。其中SLA主要用于制作模型，在國外大學教學領域上用的比較廣泛。SLA成熟度高，由CAD數字模型直接制成原型，加工速度快，產品生產周 期短，無需切削工具與模具，降低錯誤修復的成本，可以加工結構外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具，可聯機操作和遠程控制。FDM主要采用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）作為原材料，目前市場上采用 FDM技術較為普遍。其優(yōu)勢在于操作環(huán)境干凈、安全可以辦公室環(huán)境下進行，表面質量較好，易于裝配，可以快遞。原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換，材料費用低。另外，可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用的ABS、PC、PPSE等， 材料利用率高。

3D打印的優(yōu)勢在于數字化驅動，無需編程 、可打印任何復雜結構、 自動運轉無需人工干預、無需模具直接成型、設計制造一體化。三維造型與打印技術可以用于產品設計評估與校審；用于產品工程功能試驗；用于快速模具制造；用于快速直接制造；用作廠商與客戶的交流手段；應用于醫(yī)學、建筑等行業(yè)。產品造型與3D打印技術的應用使得產品開發(fā)周期大大縮短，提高了研發(fā)效率、改善了產品質量、優(yōu)化了產品設計。目前，這種技術廣泛應用于珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航天航空、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程和等諸多領域。

2、產品造型與3D打印課堂教學實踐

我院在模具設計與制造專業(yè)（快速原形設計方向）引入了產品造型設計與快速制造課程，試圖通過此課程的學習使學生掌握從軟件造型到3D打印原型的基本原理及工作流程。

通過課程的開發(fā)與課堂教學實踐，我們發(fā)現3D打印的基礎是產品造型的數字建模，如果不能熟練掌握的三維數字軟件的建模技巧，就很難實現產品造型的設計構想。因此，加強三維數字軟件應用教學就顯得尤為重要。為此，我們在產品造型與3D打印課程中，針對三維軟件的各項功能制定了詳細的教學計劃，認真設計了若干單項及綜合訓練任務，通過項目化教學，使學生在任務中學習，在情景中學習，在不斷地解決實際問題中學習，邊學邊練，邊練邊學，切實提高三維造型應用水平。

快速原形設計分為外觀設計和結構設計，這與建筑設計很類似，也分為建筑外觀設計和建筑結構設計。產品造型設計偏重于外觀設計，然而造型與結構是密不可分的，在進行快速原型設計的時候，同時要考慮到結構問題，考慮大批量生產中工藝性問題，考慮裝配問題，考慮散熱問題等等，這樣才能設計出優(yōu)秀的產品。在課程教學實施過程中，由于引入了3D打印成型設備，學生能直觀地看到自己的設計成果，大大激發(fā)了學生的學習興趣和主觀能動性，課堂氣氛活躍，學生參與率高。

從就業(yè)角度看，掌握三維造型與3D打印技能的學生可以到各產品制造企業(yè)、3D打印服務公司、設計公司、3D打印網店和其他3D領域企業(yè)擔任設計人員、技術操作員、咨詢服務人員和管理人員，也可以自主創(chuàng)業(yè)開設網店或實體店提供3D產品設計和打印服務，利用電子商務平臺拓展業(yè)務空間 。

3、產品造型與3D打印的發(fā)展與存在的問題

隨著數字化技術的不斷發(fā)展，產品造型與3D打印技術正在迅速的申入各個領域，受到了社會的廣泛關注和一致好評，但在此過程也存在著一些亟待解決的問題。首先，3D設計人員短缺的問題，3D產品造型軟件門檻較高，一般非專業(yè)人員很難上手，即使是工業(yè)產品設計專業(yè)人員，也需要經過專門的軟件培訓以及大量的應用設計實踐才能較好地掌握，所以3D造型設計人員相對比較缺乏。此外，3D打印作為新生事物，其本身發(fā)展也存在諸多問題，主要表現在：

（1）耗材成本高，種類少。3d打印必須使用特定的耗材，但這些耗材都價格不菲，很多材料本身的價格就很昂貴，再加工成打印耗材自然沒法降下來。打印耗材的種類也是屈指可數，雖然媒體極力渲染3d打印技術，可以打印很多種材料，但實際上對于整個制造業(yè)來說，還遠遠不夠。

（2）金屬激光燒結技術本來的研發(fā)成本高昂，再加之打印機制造成本也很大，所以推廣難度很大，特別是在面對傳統(tǒng)技術依靠非常成熟的經驗和低廉的成本占據市場的局面下。

（3）打印對象體積受到打印機大小限制。對于大型的機械部件，3d打印還是只能通過打印一部分部件然后拼接組成成品。擴大打印機規(guī)模常常是不合算的，而且這也會影響到打印精度。

（4）打印精度和強度在很多產品面前并不適用。一些需要精度較高，表面光潔程度高的零件是無法通過3d打印完成的，畢竟這種堆積技術是通過微小顆粒堆積起來的，精確度仍然只在零點幾微米級，特別是在曲面上面，像素不高，所以打印完成之后還是得再進行后期打磨處理。另外，其打印產品強度也值得質疑，很多需要強度保證的材料是借助材質內的微觀分子結構甚至原子結構維持的，而3d打印的堆積技術，顆粒之間是通過粘接技術煉結的。

盡管3D打印技術還存在著一些亟待解決的問題，然而，以數字化、人工智能化制造與新型材料的應用為標志的第三次工業(yè)革命正在向我們走來，數字化造型設計以及3D打印技術的應用將像蒸汽機、內燃機和計算機一樣，開創(chuàng)一個嶄新的工業(yè)時代。

我國正處于工業(yè)轉型升級的關鍵時期，快速制造技術的發(fā)展，對我國既是重大機遇，又帶來了挑戰(zhàn)。加快推進快速制造技術研發(fā)及產業(yè)化，對于提升我國制造業(yè)的整體創(chuàng)新能力，取得在數字化制造、智能制造方面發(fā)展的主動權，搶占先進制造業(yè)發(fā)展制高點，加快工業(yè)轉型升級和經濟發(fā)展方式轉變具有重要意義。

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