3D打印在UG軟件課程中的應用

張文平　周倩

摘要：3D打印是基于離散、堆積原理的一種嶄新的加工方式，是信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發(fā)展的產物。目前，一些教育機構和組織已經開始重視其在教育領域的應用。將3D打印應用于UG課程教學中，提高了學生的創(chuàng)新設計能力，提高了學生的學習積極性。

關鍵詞：3D打??；教育技術；課程

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）20-0251-02

一、UG設計課程的教學現狀

UG是一個交互式CAD/CAM（計算機輔助設計與制造）系統(tǒng)，功能強大，可實現各種復雜實體及造型的建構，是一款主流的三維設計軟件。近年來，UG設計課程也在不斷地改革與發(fā)展。從最初的命令講解式的教學，到后來的實例教學，再到如今的基于工作過程系統(tǒng)化的教學。從教與學兩個主體的辯證關系出發(fā)，不斷改進教學方法，提高了教學質量，收到了較好的教學效果。但在課程教學的實際中，還存在如下問題：一是無論是案例教學中的實例還是工作過程系統(tǒng)化教學中的實例，都是固定的操作步驟與命令，學生根據教師的講解一步步練習，沒有充分發(fā)揮學生的主觀能動性。二是對學生的職業(yè)素養(yǎng)、設計能力的培養(yǎng)不夠，缺乏設計思路的練習，面對新產品、新設計，學生還是感覺無從下手。三是學生的設計作品是虛擬的數模，教師的點評顯得空洞抽象，缺乏對設計作品的直觀評價，反復改進創(chuàng)新設計比較困難。

二、3D打印技術在教育中的應用

3D打印是直接從數字模型通過層層堆積來生產三維實體的技術，是一種不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀的先進制造技術。“3D打印”是通俗叫法，“3D打印”在工業(yè)領域叫“快速成型”，后來業(yè)內形成統(tǒng)一叫法即“增材制造”。3D打印技術在上世紀80年代后期源于美國，是近年來世界制造技術領域的一次重大突破。在過去的幾年里，由于受到計算能力、新型設計軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯網進步的推動，3D打印技術迅速發(fā)展[1]。

3D打印技術的突破性發(fā)展引起了教育工作者的關注，一些國家和組織也開始對3D打印的教育應用進行探索。新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）在2013年版的《地平線報告》中將3D打印的教育應用列入了“待普及”的新技術清單，對3D打印做了較為詳細的介紹，并認為該技術將會在4～5年內普及[2，3]。《3D打?。簭南胂蟮浆F實》一書的作者認為3D打印將打開教授和學習科學的全新方法的大門，將顛覆傳統(tǒng)教育方式。故3D打印將不再只是一門先進制造技術的實訓課程，它將會滲入到我們傳統(tǒng)課程教學的課堂中，并發(fā)揮出巨大作用。

三、3D打印應用于UG課程教學的實踐

1.課程改革思路。基于工作過程系統(tǒng)化的教學思路，要求機械加工過程有機聯系、工藝規(guī)程選擇合理，這是機械加工的必然要求?？稍谖以旱膶嶋H教學過程中，3D打印與UG軟件為兩個獨立的學習模塊，相互之間沒有通過具體零件制作有機結合起來，使得先進制造技術的教學不連貫，出現了脫節(jié)現象。因此，有目的地引導學生實訓，通過零件設計、成型加工和精度檢測等環(huán)節(jié)，對3D打印與UG軟件教學內容結合進行學習，深刻領悟工藝過程連接的有機性、有效性和合理性，可提高教學效果。

2.課程改革的實施。修訂舊的教學計劃，將UG設計和3D打印實訓兩門課程合并為一門課，即工業(yè)產品造型設計及3D打印，課時為4周。教學過程組織如下：教師教授設計實例（比如手機支架、花瓶等），然后將學生分組，規(guī)定相應的設計要求，并提供豐富的課程資源，讓學生自主討論、學習、設計，然后用3D打印機將設計模型轉變成實物，學生根據實物模型對設計結果進行評價，提出改進設計的思路，重新設計打印，直到做出符合設計要求的滿意作品。課程教學組織流程如圖1所示，在這個過程中，不僅讓學生掌握了軟件操作命令、設計方法，學會了3D打印機操作，而且培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神、團隊合作精神、設計理念和職業(yè)素養(yǎng)。筆者所在學校配有北京太爾時代科技有限公司的UP BOX 3D打印機和陜西恒通智能機器有限公司的3DP-300打印機等多種型號的桌面3D打印機，它們都屬于熔融沉積類型（FDM），其材料可使用PLA和ABS兩種熱塑性塑料絲材。①工業(yè)產品UG造型設計及數據輸出。在本課程的實際教學過程中，主要選用學生在日常生活中經常接觸到的產品，如手機支架、手電筒、臺燈等，對于這類產品的外觀和使用要求，學生有非常直觀的感受。教師首先選取一個實物進行UG建模設計步驟的講解，然后讓學生進行產品外觀三維造型創(chuàng)新設計。要求外形美觀，滿足創(chuàng)意要求和設定的功能要求，具有良好的人機協(xié)調性。設計完成后，將CAD文件導出格式為STL的數據模型。②添加支撐與分層。導入數據模型文件至3D打印設備配套的編程軟件中，進行產品零件的工藝設計及數控程序的編制。北京太爾時代科技有限公司的UP BOX 3D打印機可用其自帶的UP軟件，完成支撐添加與模型分層。陜西恒通智能機器有限公司的3DP-300打印機可用開源切片軟件（如slic3r、cura等）完成打印層高、溫度、速度、填充率、支撐等的設定。導出數據文件或者直接連接打印機進行打印。③3D打印。指導學生進行3D打印機初始化、工作臺調平預熱、打印噴嘴高度設定等實訓操作，并特別注意觀察第一層的打印質量，確保模型能牢固的粘在工作臺上，不發(fā)生翹曲變形。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，設備的操作越來越簡單，比如最新的UP BOX 3D打印機就具備了工作臺自動調平功能。④模型后處理及設計評價。剝離產品的支撐材料，對產品的表面進行必要的打磨加工。學生根據實物模型對設計結果進行自主評價，提出改進設計的思路，如果需要可重新打印，直到做出符合設計要求的滿意作品。

3.課程改革的效果。通過此課程的開展，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，使越來越多的學生參與到創(chuàng)新設計活動中，并取得了良好的教學效果。我院學生在各類設計競賽中都取得了較好的成績，在2015年山東省職業(yè)院校技能大賽（高職組）“工業(yè)產品造型設計與快速成型”賽項中，筆者指導學生取得了第三名的較好成績。

四、結語

通過工業(yè)產品造型設計及3D打印課程的學習，學生對課題要求與課程的有效性連接能產生清晰的認知，達到預期的教學效果。經過數控技術、模具設計與制造專業(yè)的試點，學生的設計作品得以實體成型，他們學習的積極性大大提高，同時對相關機床設備原理及選修課程產生了濃厚興趣，并在數控機床、3D打印等學習中得到了貼近真實工作過程的鍛煉。

綜上所述，各種三維設計軟件的掌握和使用已是工科院校學生的一門必修課程。他們由于對計算機軟件及其操作已有了一定的基礎，因此對簡單軟件的操作和講解都能接受。但從零件設計和工藝角度來看，他們對實際零件的設計尤其是設計的合理性有所欠缺，而這正是本次工業(yè)產品造型設計及3D打印課程教學改革要解決的主要問題，通過一學期的教學實踐，教學效果良好，收到了學生的一致好評。

參考文獻：

[1]胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打?。簭南胂蟮浆F實[M].北京：中信出版社，2013.

[2]李青，王青.3D打?。阂环N新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013，（4）：29-35.

[3]NMC.NMC Horizon Report：2013 Higher Education Edition[EB/OL].[2013-05-22].

http：//www.nmc.org/pdf/2013-horizon-report-HE.pdf.