周麗紅，胡碧康

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電工程學(xué)部，武漢 430083）

文章編號：1007-1423（2018）27-0055-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2018.27.010

0 引言

最近，3D打?。?D Printing）技術(shù)逐漸引起人們的更多關(guān)注。3D打印過去曾被用作快速原型（Rapid Pro?totyping，RP），這是一種可以生成基于3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）形狀信息的真實(shí)產(chǎn)品的技術(shù)。由于3D打印工藝的原始專利到期導(dǎo)致開源的普及，低價(jià)個(gè)人打印機(jī)的普及已經(jīng)從現(xiàn)有的工業(yè)級打印機(jī)中擴(kuò)散開來，并且改變工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可能性一直在增加。最初的快速原型制造主要用于制造業(yè)，并逐漸用于創(chuàng)建可視化模型、原型制作、二次制造的主模型和功能組件。隨著3D打印領(lǐng)域的擴(kuò)展，現(xiàn)已經(jīng)滲透到各種領(lǐng)域，例如醫(yī)療設(shè)備、設(shè)計(jì)和時(shí)尚等個(gè)性化產(chǎn)品。除了已知的3D CAD之外，3D打印還有助于提高學(xué)生的空間感知能力，因此，它不僅可以在工程教育方面取得各種成就，而且在吸引學(xué)生學(xué)習(xí)方面具有積極作用。

目前，3D CAD教育在機(jī)械工程領(lǐng)域不可或缺，與之相關(guān)的3D打印技術(shù)正在迅速引入?，F(xiàn)有的CAD課程由3D CAD的理論授課和使用商業(yè)CAD軟件的形狀建模練習(xí)組成。在這項(xiàng)研究中，3D打印技術(shù)知識被添加到大一學(xué)生CAD應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)教育中。為此，我們增加了3D打印的理論與實(shí)踐課程，在3D打印機(jī)上打印出學(xué)生設(shè)計(jì)的產(chǎn)品?；谶@些知識，我們可以在三、四年級的綜合設(shè)計(jì)課程中有效地利用3D CAD和3D打印。

1 在CAD課程中使用3D打印

1.1 CAD主題和設(shè)計(jì)任務(wù)概述

CAD是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生必修的課程。特別是隨著3D CAD的普及，機(jī)械工程本科的CAD教育正在從傳統(tǒng)的理論課程轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂肅AD軟件的實(shí)踐形式，學(xué)生的成績評價(jià)也從傳統(tǒng)理論向設(shè)計(jì)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變。CAD設(shè)計(jì)課程通常以逆向工程的形式進(jìn)行，其中CAD軟件可用于測量現(xiàn)有產(chǎn)品的形狀和尺寸并進(jìn)行3D形狀建模。在CAD應(yīng)用程序過程中，CAD軟件用于訓(xùn)練，并進(jìn)行基本形狀建模、自由曲面生成、裝配建模和繪圖生成技術(shù)。CAD設(shè)計(jì)任務(wù)旨在通過利用學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的CAD能力，對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行形狀建模，從而學(xué)習(xí)CAD實(shí)踐。在設(shè)計(jì)任務(wù)中，由三到四名學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)該任務(wù)，通過報(bào)告和演示評估任務(wù)的完成情況來評估學(xué)習(xí)效果。在評估設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，基于報(bào)告和表示數(shù)據(jù)對其進(jìn)行評估，但會存在基于二維圖來評估的局限。此外，學(xué)生在執(zhí)行設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)必須專注于外形的建模，這可能會扭曲任務(wù)的初衷。這個(gè)問題通過讓學(xué)生直接通過3D打印設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以得到有效解決。

1.2 CAD設(shè)計(jì)任務(wù)流程

學(xué)生們按實(shí)際人數(shù)分成若干小組，小組之間相互競爭。該過程分為三個(gè)階段：基本形狀測量、三維形狀建模和三維打印。在第一和第二階段中，通過報(bào)告評估結(jié)果。

（1）逆向工程的形狀測量

第一階段，執(zhí)行測量過程以提取角色的特征曲線。可使用不同方法進(jìn)行特征曲線提取?？衫谜鎸?shí)模型進(jìn)行測量或從圖片和動畫圖像中提取各種特征曲線，還可用3D掃描儀進(jìn)行真實(shí)模型的掃描來獲取圖像。

在此階段，根據(jù)學(xué)生的報(bào)告來進(jìn)行評估，分配的分?jǐn)?shù)為30%。每個(gè)團(tuán)隊(duì)提交一份報(bào)告，并從三個(gè)方面進(jìn)行評估：形狀測量過程的有效性，獲得的特征曲線的完整性以及報(bào)告的質(zhì)量。

（2）形狀建模過程

第二階段是使用第一階段中創(chuàng)建的特征曲線進(jìn)行形狀建模。首先，通過使用各種方向和橫截面的特征曲線來創(chuàng)建自由曲面，然后使用所生成的曲面完成三維形狀。通過上述過程，對主要部位進(jìn)行形狀建模，該過程主要通過團(tuán)隊(duì)成員之間協(xié)作來完成。然后，用完成的3D模型通過虛擬組裝的過程完成最終形狀。

在此階段，同樣根據(jù)學(xué)生的報(bào)告進(jìn)行評估，分配的分?jǐn)?shù)也為30%。也是對三個(gè)方面進(jìn)行評估：3D形狀建模過程的有效性，最終完成的3D模型的完整性以及報(bào)告的質(zhì)量。

（3）3D打印

第三階段是用完成的CAD模型進(jìn)行3D打印。將STL文件從CAD模型傳輸?shù)?D打印機(jī)。指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整分辨率，以便可以完全描述創(chuàng)建的表面。我們還增加了關(guān)于3D打印的理論授課，并在3D打印實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)踐課程。該實(shí)驗(yàn)室有12臺桌面級熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、一臺工業(yè)級 FDM和一臺光固化成形（Stereo lithography Apparatus，SLA）打印設(shè)備。學(xué)生們用這些設(shè)備打印自己創(chuàng)建的CAD模型，并直接參與后處理。

此階段評估學(xué)生的最終表現(xiàn)和打印產(chǎn)品的完整性，分配的分?jǐn)?shù)為40%。評估最終模型的完整性和準(zhǔn)確性，演示材料和內(nèi)容，打印產(chǎn)品的完整性，還包括學(xué)生的互評分?jǐn)?shù)。

2 3D打印在一般設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用

機(jī)械工程專業(yè)課程應(yīng)該旨在通過實(shí)踐培訓(xùn)課程培養(yǎng)創(chuàng)意機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)師。我們應(yīng)該不斷摸索新的培訓(xùn)模式，使學(xué)生經(jīng)過四年的培養(yǎng)生能夠體驗(yàn)一系列的過程來規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試自己的工作，而不是考試和相互借鑒的畢業(yè)設(shè)計(jì)。

在綜合設(shè)計(jì)過程中，設(shè)備對大多數(shù)工作至關(guān)重要。學(xué)校設(shè)有一個(gè)平臺，供學(xué)生使用自由設(shè)計(jì)的各種加工設(shè)備，如車床、銑床和CNC雕刻機(jī)。通過這種方式，學(xué)生可以以簡單的形式直接處理零件，但如果形狀復(fù)雜，則加工有限，這通常取決于加工。為了解決這些問題，學(xué)生可以通過使用實(shí)驗(yàn)室中的3D打印機(jī)輕松制作復(fù)雜的三維形狀器件，有些作品設(shè)計(jì)合理甚至可以一次打印成型，而不需要拼裝。

圖1顯示的是舉升機(jī)的3D打印應(yīng)用示例。這一模型是通過3D打印將整個(gè)模型一次打印成形，可完全實(shí)現(xiàn)其舉升功能。3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)課程中的引入，尤其對加工設(shè)備操作掌握不熟練的學(xué)生，這一舉措無疑為這些學(xué)生帶來福音。通過對形狀復(fù)雜或難以直接處理的部件進(jìn)行3D設(shè)計(jì)并進(jìn)行3D打印，可以縮短制作作品所需的時(shí)間。

圖1 3D打印舉升機(jī)

備注：（a）打印成型俯視圖；（b）打印成型側(cè)視圖；（c）舉升機(jī)升到最大行程效果圖；（d）舉升機(jī)負(fù)重上升效果圖。

除了一些設(shè)計(jì)課程，3D打印技術(shù)在大學(xué)生競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面也大有用武之地。圖2為本校學(xué)生在全國3D大賽中的3D打印創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)賽項(xiàng)中的獲獎(jiǎng)作品。這一結(jié)果說明本專業(yè)的學(xué)生除了機(jī)械產(chǎn)品，也能設(shè)計(jì)出非專業(yè)的創(chuàng)意十足的飾品。3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)將學(xué)生的設(shè)計(jì)想法有效地可視化，同時(shí)便于更早發(fā)現(xiàn)不足且方便修正，能更加有效地引導(dǎo)學(xué)生走向創(chuàng)新驅(qū)動的設(shè)計(jì)過程。

圖2 飾品設(shè)計(jì)圖及3D打印實(shí)物

備注：（a）和（c）飾品設(shè)計(jì)渲染圖，（b）和（d）飾品3D打印實(shí)物圖。

3 結(jié)語

在本科機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)教育中使用3D CAD和3D打印進(jìn)行設(shè)計(jì)課程的研究中，其研究結(jié)果總結(jié)如下：（1）基礎(chǔ)CAD課程包括現(xiàn)有CAD課程和關(guān)于3D打印技術(shù)的理論和實(shí)踐課程，并指導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)直接將設(shè)計(jì)產(chǎn)品輸出到3D打印機(jī)。（2）在一般設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生能夠通過3D打印技術(shù)對難以進(jìn)行機(jī)械加工的復(fù)雜形狀的產(chǎn)品進(jìn)行打印成型而縮短生產(chǎn)過程。3D打印技術(shù)與3D CAD結(jié)合使用在工程設(shè)計(jì)教育課程中將提高學(xué)生對設(shè)計(jì)學(xué)科的滿意度并能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。