基于3D 打印技術(shù)的《三維造型設(shè)計(jì)》教學(xué)方法的研究

張 莎

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

3D 打印技術(shù)可有效簡(jiǎn)化產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的過(guò)程， 提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率， 是制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的新興技術(shù)。 而應(yīng)用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)， 可以有效的改善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和精度， 三維造型設(shè)計(jì)也成為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的重要技術(shù)手段。 目前在高校課程教學(xué)中， 將3D 打印技術(shù)與三維造型設(shè)計(jì)相結(jié)合能夠幫助學(xué)生提高設(shè)計(jì)能力， 同時(shí)改善教師三維造型設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。 本文主要分析和研究3D 打印技術(shù)在三維造型設(shè)計(jì)課程上的應(yīng)用， 為三維造型設(shè)計(jì)課程的改革提供新的思路。

1 3D 打印在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，3D 打印技術(shù)作為新興技術(shù)， 其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用， 受到了越來(lái)越多國(guó)家或組織的關(guān)注及探索研究。 英國(guó)教育部于2012 年開(kāi)始探索3D 打印技術(shù)在教學(xué)方面的應(yīng)用，他們選取21 所學(xué)校作為試點(diǎn)，開(kāi)展了為期一年的試驗(yàn)。 該項(xiàng)目與英國(guó)NCETM 機(jī)構(gòu)和3D 打印機(jī)廠商合作，將3D 打印技術(shù)與數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程和設(shè)計(jì)等課程相結(jié)合，探索3D 打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)制作實(shí)驗(yàn)和拓展(MENTOR)項(xiàng)目為了培養(yǎng)高中生的一系列技能，并讓學(xué)生對(duì)科學(xué)、設(shè)計(jì)、制造等方面的相關(guān)課程更感興趣，該項(xiàng)目引進(jìn)了3D 打印機(jī)，希望通過(guò)3D 打印機(jī)，促進(jìn)學(xué)生順利完成產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的過(guò)程。

意大利理論物理國(guó)際研究中心(ICTP)通過(guò)免費(fèi)的網(wǎng)上工具， 將數(shù)學(xué)課程中的等值曲面轉(zhuǎn)化為三維造型， 并結(jié)合3D 打印機(jī)打印出特別的藝術(shù)品或課堂教學(xué)所用的實(shí)物。 同時(shí)，在3D 打印過(guò)程中選擇多種打印材料（如塑料、陶瓷、金屬等），還可以增加數(shù)學(xué)的觀賞性和趣味性。 該研究將數(shù)字、設(shè)計(jì)及時(shí)尚相結(jié)合，通過(guò)3D 打印技術(shù)，使數(shù)學(xué)以藝術(shù)的形象展現(xiàn)給學(xué)生，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

目前越來(lái)越多的學(xué)?；驒C(jī)構(gòu)將3D 打印機(jī)引入課堂教學(xué)中，上海市靜安區(qū)青少年活動(dòng)中心創(chuàng)意夢(mèng)工廠也引進(jìn)了3D 打印機(jī)以及3D 掃描儀。 并且開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，免費(fèi)提供給對(duì)三維造型設(shè)計(jì)和制造感興趣的同學(xué)。

徐鼐、李志君等研究了3D 打印技術(shù)在塑膠加工成型及模具設(shè)計(jì)課程群教學(xué)改革中的應(yīng)用探索， 實(shí)踐得出， 結(jié)合目前塑料加工成型及模具設(shè)計(jì)制造等課程在教學(xué)中所存在的一些問(wèn)題， 通過(guò)將3D 打印技術(shù)引入到相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)中， 與傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化和整合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，強(qiáng)化教學(xué)效果，旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的卓越工程師和優(yōu)秀科技人才。

周敏對(duì)基于3D 打印掃描的產(chǎn)品設(shè)計(jì)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，利用3D 打印掃描成像得出產(chǎn)品的信息，實(shí)現(xiàn)高分辨的產(chǎn)品圖像， 結(jié)合產(chǎn)品的質(zhì)量管理建立產(chǎn)品技術(shù)的控制模型， 利用3D 打印掃描表達(dá)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行控制， 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)技術(shù)的約束條件進(jìn)行考慮,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高滿意度，并同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的資源以及成本的約束進(jìn)行考慮， 克服了傳統(tǒng)方法存在的弊端， 有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確度， 使產(chǎn)品的外觀表達(dá)的更清楚， 完成對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)控制技術(shù)的研究。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 利用所提方法能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確度。

2 3D 打印技術(shù)在高校三維造型設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用策略與方法

機(jī)械學(xué)科的三維造型設(shè)計(jì)課程主要任務(wù)是培養(yǎng)既能熟練操作計(jì)算機(jī)三維軟件， 又能夠設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的高技能人才。該課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容為以三維CAD/CAM軟件為工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)。 目前教學(xué)過(guò)程中，我們所采用的教學(xué)模式是“多媒體+計(jì)算機(jī)”教學(xué)方式，用多媒體教學(xué)一般是綱要性的、 提示性的進(jìn)行理論授課， 多媒體教學(xué)結(jié)合學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)操作， 老師給予輔導(dǎo)； 這種教學(xué)模式， 提高了學(xué)生對(duì)軟件的實(shí)際應(yīng)用能力， 但在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該模式存在一定的缺陷： 學(xué)生設(shè)計(jì)的零件較隨意， 不能達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)的功能或結(jié)構(gòu)要求； 在達(dá)到上述要求的設(shè)計(jì)中， 所設(shè)計(jì)零件裝配過(guò)程中配合存在一定問(wèn)題， 不能根據(jù)技術(shù)要求或使用要求設(shè)計(jì)出合理的零件。 在傳統(tǒng)的三維造型設(shè)計(jì)課程在教學(xué)過(guò)程中， 學(xué)生只能理論的掌握繪圖命令， 設(shè)計(jì)零部件， 但所設(shè)計(jì)的零部件與實(shí)際生產(chǎn)所需有較大差異， 并且缺乏學(xué)生興趣和自主設(shè)計(jì)能力；傳統(tǒng)的三維造型設(shè)計(jì)課程在教授過(guò)程中， 一般學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的方法、思路、原則以及三維軟件的操作，以概念性的內(nèi)容為主，學(xué)生沒(méi)有實(shí)體視覺(jué)感受，此外，如果要將三維視圖制造為三維實(shí)體， 則需要高昂的費(fèi)用及繁瑣的制造過(guò)程。 總體而言， 學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合性較差為其薄弱點(diǎn)。

為了改善學(xué)生理論與實(shí)踐的脫節(jié)，把3D 打印技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，3D 打印技術(shù)（3DP）為快速成型技術(shù)(RPM)的一種，它是一種以數(shù)字模型(即三維造型軟件設(shè)計(jì)零件）為基礎(chǔ)，用金屬粉末或者PLA 等塑料為打印材料，通過(guò)將處理后的數(shù)字模型導(dǎo)入3D 打印機(jī)，經(jīng)逐層打印的方式形成三維立體的物體。 目前，3D 打印機(jī)的用途非常廣泛，包括衣、食、住、行及生物醫(yī)藥等很多方面。3D 打印機(jī)因其分層制造的過(guò)程與普通的噴墨打印機(jī)很相似，所以也被通俗的稱(chēng)為“打印機(jī)”。3D 打印機(jī)的打印步驟可以分為三維設(shè)計(jì)、 層片處理、打印機(jī)打印三個(gè)主要步驟。 引用3D 打印技術(shù)可以將學(xué)生設(shè)計(jì)的三維零件打印成實(shí)物， 從而讓他們直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤或缺陷，從而加以改善。

將三維造型設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)與3D 打印實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，采用教、學(xué)、做、評(píng)、賽一體化的課程設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生完成從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)成品的全過(guò)程。 在教學(xué)過(guò)程中， 應(yīng)用三維造型軟件，學(xué)生分小組設(shè)計(jì)裝配體等模型，通過(guò)3D打印機(jī)，打印出成品，并進(jìn)行評(píng)比。 通過(guò)3D 打印與三維造型設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)， 可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件的操作能力； 基本掌握3D打印技術(shù)， 使學(xué)生可熟練操作3D 打印機(jī)及Maker Bot處理軟件； 增強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力， 使學(xué)生可設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際生產(chǎn)所需的零部件； 此外， 通過(guò)理實(shí)一體化教學(xué)可增強(qiáng)其動(dòng)手能力、 提高其創(chuàng)新能力、改善其語(yǔ)言表達(dá)能力、并增加其團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

綜合上述分析， 三維造型設(shè)計(jì)課程以理實(shí)一體化的改革思路和設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生的培養(yǎng)任務(wù)，將3D打印實(shí)訓(xùn)與三維造型軟件相結(jié)合， 為學(xué)生提供真實(shí)直觀的視覺(jué)感受， 同時(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力，使他們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、 產(chǎn)品制造、 逆向工程等多方面得到綜合發(fā)展。 從而， 使高校能夠培養(yǎng)出更適合現(xiàn)在設(shè)計(jì)制造業(yè)的、掌握三維設(shè)計(jì)的實(shí)用性人才。

3 結(jié)束語(yǔ)

三維造型設(shè)計(jì)作為機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課， 是各高校重點(diǎn)發(fā)展與培養(yǎng)的重要課程， 針對(duì)目前高校三維造型設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題， 教師及學(xué)校要從實(shí)際出發(fā)， 在教學(xué)過(guò)程中不斷改善教學(xué)方式， 并且逐漸形成一套實(shí)用的有活力教學(xué)方法。3D 打印技術(shù)隨著新技術(shù)和新工藝的發(fā)展， 其潛質(zhì)在逐漸的被開(kāi)發(fā)利用，三維造型設(shè)計(jì)課程也得到了新的授課思路， 學(xué)校和教師應(yīng)將傳統(tǒng)課程與新科技與新工藝相結(jié)合， 不斷更新3D 打印技術(shù)的應(yīng)用策略， 三維造型設(shè)計(jì)課程體系，才能培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的掌握現(xiàn)代技術(shù)的行業(yè)人才。