基于3D打印技術的工業(yè)產(chǎn)品設計實踐教學探究

劉勃崢

摘要：眾所周知，3D打印技術是一種新興的技術，并且在制造領域掀起了改革的風暴。本文首先介紹了什么是3D打印技術，并根據(jù)目前實驗教學應用3D打印技術的問題與不足，探討了具體改進的方法，并通過具體的應用，向大家展示基于3D打印技術的產(chǎn)品開發(fā)與工業(yè)產(chǎn)品設計實驗教學成果，希望可以起到一定的參考作用。

關鍵詞：設計;3D打印;實踐;創(chuàng)新

中國分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0026-02

將3D打印技術合理運用到實驗教學中，不僅可以培養(yǎng)學生的動手能力，還能夠開拓學生的思維，有利于幫助學生更好地理解3D打印技術，并且與實際生產(chǎn)、加工和制造產(chǎn)生聯(lián)系，全面提高學生的素質和能力，為社會輸送高質量的人才。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術概述

3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

1.2 基本原理

3D打印技術是一種快速成型技術，主要的工藝是熔融沉積制造技術。在進行3D打印之前，將數(shù)據(jù)模型切割成同一厚度的切片，并且生成控制3D打印機噴頭移動軌跡的幾何信息。當幾何信息生成后，使用計算機控制噴頭，堆砌零件，并且把絲狀材料送入到熱熔噴頭內，溫度上升后，絲狀材料會轉變?yōu)槿诨癄顟B(tài)，經(jīng)過噴頭擠壓，可以沉積固化成為精準的零件薄層，然后重復進行這一過程，直到形成一個完整的三維零件實體[1]。

3D打印技術的應用分為三步：第一步，使用三維軟件，對實物進行掃描，設計出具體的三維模型，確保模型科學可靠;第二步，使用專業(yè)軟件比如Materialise Magics，對3D模型進行分層;第三步，在打印區(qū)域，噴頭會按照事先計算好的路徑，擠出液態(tài)樹脂或者進行光固化等不同打印技術，并且層層堆砌，成型后需要進行后期處理，提高零件的精度。

2 實驗教學應用3D打印技術的不足之處

目前，3D打印技術受到了廣泛的關注，在眾多領域開始嶄露頭角，不僅縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，還有效降低了生產(chǎn)成本，同時滿足了人們個性化的需求。一些西方先進國家已經(jīng)將3D打印技術應用到課堂教學中，幫助學生更好地理解技術的特點，提高他們的創(chuàng)新意識和能力。但是我國高校實驗教學中在應用3D打印技術時存在一定的不足。

一方面，很多高校雖然斥巨資購買和引進了3D打印設備，但是教師在教學過程中，還是沿用傳統(tǒng)的思維模式，沒有充分發(fā)揮3D打印設備的作用，使得這些高精密儀器成為了擺設;另一方面，一些高校教師在進行實驗教學時，有意識地讓學生多接觸和多使用3D打印機，但是打印的內容主要是一些簡單的物體，無法激發(fā)學生的興趣，也不利于學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，造成了資源的浪費。如果實驗教學無法高效利用3D打印技術，那么在培養(yǎng)技術人才方面，就會顯得捉襟見肘，不利于學生全面的發(fā)展，而且無法滿足社會、企業(yè)以及國家人才方面的需求[2]。

3 優(yōu)化3D打印技術在實驗教學中的應用策略

3.1 完善3D打印教學理念

基于3D打印技術的實驗教學的理論基礎包括建構主義學習理論，因為3D打印技術可以豐富實驗的內容和情境，讓學生在良好的氛圍下進行動手操作，豐富他們的知識框架;還包括“做中學”理論，它是美國人杜威提出的一種新型學習理論，強調通過觀察、實驗、探究以及反思等活動，將抽象的理論具體化，從而獲得知識經(jīng)驗。

3.2 制定合理的教學計劃

在實驗教學過程中，首先，教師要承擔主導作用，并且以學生為主體，合理分配和布置學習目標，劃分學習任務，利用3D打印技術的優(yōu)勢和特點，營造適合學生展開實驗活動的環(huán)境。其次，教師要找到教學的重點和難點，對具體的實驗任務進行分類，并且做到細致入微，比如分為理論知識學習部分、實物觀察掃描部分、系統(tǒng)軟件操作部分以及隨堂練習測試部分等。教師布置完具體的任務后，要深入學生內部與學生共同完成，及時發(fā)現(xiàn)學生的不足，提出改進意見。另外，教師要帶領學生熟悉3D打印設備的操作規(guī)則，避免對儀器和設備造成損壞，同時保證自身安全。最后，在進行評價時，教師不僅要根據(jù)實驗結果進行評價，還要參照學生在實驗過程中的具體表現(xiàn)，同時讓小組內部的學生進行互評，以提高評價的科學性。

3.3 豐富教學流程

教師在應用3D打印技術展開實驗教學時，需要結合實際生活和學生已有的經(jīng)驗創(chuàng)設具體的情境，豐富學生的知識體系，開拓學生的思維，使其大膽進行設計，小心進行求證。教學目標讓學生對形態(tài)有更深入的理解，利用當前主流數(shù)據(jù)模型的建造方法，同時掌握3D打印所對應的軟件，如Autodesk 3ds Max（POLYGON）和Rhinoceros （NURBS）此類用數(shù)據(jù)的形式表達要設計形態(tài)的軟件，同時要求學生掌握V-Ray和KeyShot軟件的使用方法，結合不同的產(chǎn)品制作出多種風格的效果圖。以曲面形態(tài)為例，教師可以先使用thino三維建模軟件制作多面體，而學生通過教師的示范以小組為單位展開設計討論，學生通過手繪開始設計產(chǎn)品，構造平面圖紙，然后使用3D打印機進行打印。學生在進行實驗過程中，可以互相討論，而教師要耐心傾聽，不要打擊學生的進取心和積極性。

3.4 合理增加實驗內容

教師在進行實驗教學時，需要做好課前準備工作，并且將模型導入到切片軟件中，這樣學生能夠對切片的原理和參數(shù)一目了然，然后再帶領學生觀察打印的整個過程，讓學生有個基本的了解。如果想要提高學生的能力，需要讓學生獨立分析不同的切片參數(shù)設置對打印效果的影響，找到提高打印質量的方法，并且做好反饋工作，避免誤差的出現(xiàn)。另外，在實驗內容上，不僅可以打印一體件，還可以打印組合件，比如眼鏡框、發(fā)動機等，而且3D打印不需要對零件進行拆分，可以實現(xiàn)一次成型。一些學生的基礎較好，可以充分發(fā)揮想象力，設計出獨一無二的三維模型，并且打印出具體的實物，這樣可以提高實驗的趣味性?；?D打印技術的實驗教學能夠培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)新的能力。

3.5 合理利用教學資源

對于高校而言，教學資源合理的應用可以滿足學生實踐要求。比如以班級、以小組或者是以個人為單位，開設不同的實驗模式，高效地利用實驗資源，也可以增加3D打印技術相關的實驗選修課。

4 基于3D打印技術的產(chǎn)品開發(fā)沒計實驗教學實踐

4.1 課程實驗

以某高校工業(yè)設計為例，教師在展開實驗教學時，推廣和使用了先進的3D打印技術，在學生內部產(chǎn)生了強烈的反響，學生不僅了解了機械結構領域的發(fā)展情況，還加深了對制造工藝特點的認識。特別是進行課程實驗的過程中，學生踴躍地參與，實驗熱情空前高漲，學生能夠主動發(fā)現(xiàn)、提出和解決問題，這樣極大地提高了學生自身的主體地位。在打印過程中，學生可以自主調節(jié)切片的熔融溫度以及放置角度，同時能夠分析和預判噴嘴的運動軌跡，這樣能夠提高打印結果的準確性，并且節(jié)省材料和資源（圖1）。

4.2 創(chuàng)新實驗

在基于3D打印技術的實驗教學過程中，學生發(fā)揮創(chuàng)新能力，制作出了種類多樣的作品，科技含量很高，并且在不斷探索的過程中實現(xiàn)了自身的成長（圖2）。近年來，一些高校大學生利用3D打印技術設計了很多設計作品，并且獲得了不俗的成績（圖3）。在國家號召創(chuàng)新的今天，高校應該主動肩負起培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重任，激發(fā)學生的潛能，鼓勵學生進行創(chuàng)新實驗。

5 結論

綜上所述，實驗教學是高校教學的重要組成部分，并且與學生的學分直接掛鉤，影響學生的畢業(yè)成績和就業(yè)選擇，所以重要性日益凸顯。本文對基于3D打印技術的實驗教學展開了探究，從基礎、框架、流程、類型以及機制等方面進行了總結，并參照真實的應用案例，結果發(fā)現(xiàn)，將3D打印技術應用到實驗教學中，符合國家創(chuàng)新的要求，可以極大的提升學生的實驗水平。

參考文獻

[1]鄭紅偉，馬玉瓊，張艷蕊，等.三維掃描與3D打印技術在開放實踐教學中的實踐與應用[J]，實驗室科學，2016，19 （02）：107-109+112.

[2]白偉偉，方海光，楊志亞，焦寶聰.3D打印技術在創(chuàng)新實踐教學中的學習活動設計框架研究[J].中國信息技術教育，2016 （23）：66-70.

[3]朱妍妍，李忠新，呂唯唯，基于3D打印技術的開放實踐教學模式探索與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34 （07）：192-195.

[4]楊藝.3D打印技術在產(chǎn)品設計中的應用與發(fā)展研究[J].傳播力研究，2018，2（12）：244+255.

[5]肖婷，劉堅.模具制造中的3D打印技術的應用研究[J].工業(yè)設計，2019.