3D打印設(shè)計制圖學(xué)具開發(fā)研究

周雨姍 王琛 訾然 于嘉浩

摘 要：設(shè)計制圖是藝術(shù)設(shè)計類專業(yè)學(xué)生的必修課程。本文分析了設(shè)計制圖課程學(xué)習(xí)中的問題，創(chuàng)新性地提出將3D打印技術(shù)融入設(shè)計制圖課程的學(xué)習(xí)中，開發(fā)3D打印學(xué)具，便于學(xué)生自學(xué)，鍛煉空間想象力，提高課程學(xué)習(xí)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：3D打印;設(shè)計制圖;學(xué)具

3D打印技術(shù)作為新興的先進(jìn)制造技術(shù)，目前應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，也逐步滲入了教育領(lǐng)域。本文創(chuàng)新性地提出將3D打印技術(shù)融入設(shè)計制圖課程的學(xué)習(xí)中，為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識帶來新的體驗。通過3D打印技術(shù)，制作設(shè)計制圖學(xué)具模型，使書本上抽象的知識得到直觀化的展現(xiàn)，加深學(xué)生對形體結(jié)構(gòu)的理解，降低學(xué)生空間想象力不足帶來的學(xué)習(xí)困難，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的自學(xué)熱情。

1 3D打印概述

3D打印作為一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，通過粉末狀金屬、液態(tài)樹脂或工程塑料等可黏合材料，根據(jù)事先設(shè)計好的三維模型，通過逐層打印的方式制造出模型。[1]按照成型的基本原理的不同，可以將3D打印分為以下幾類：熔融沉積法、立體光刻法、激光制造法和三維印刷法等。[2]3D打印的實質(zhì)是通過層層堆積的方式，分層構(gòu)造零件模型。[3]由于加工工藝不同，模型的制作時間和制作成本也有所不同，因此，需要根據(jù)具體需求，綜合考慮成型效果、制作時間和制作成本，選用合適的3D打印工藝制作實體模型。

2 設(shè)計制圖課程學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

設(shè)計制圖是藝術(shù)設(shè)計類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門建立在空間想象基礎(chǔ)上的課程，無論是對于三視圖的掌握，還是對于物體貫通、截切的理解，都需要訓(xùn)練學(xué)生的空間想象力。[4]學(xué)生們在剛剛接觸這門課程時，往往因為空間想象力不夠，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程困難。[5]為了解決上述問題，更好地輔助課程的學(xué)習(xí)，需要配以學(xué)習(xí)輔助模型。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)輔助模型，大多是小木模和手做模型。[6]存在著模型簡單、制作效率低、攜帶不便等問題。導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想，達(dá)不到預(yù)期。[7]因此，亟須開發(fā)出適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的學(xué)具模型。

3 3D打印制作設(shè)計制圖學(xué)具的優(yōu)勢

利用3D打印技術(shù)開發(fā)學(xué)具模型有以下優(yōu)勢：

（1）從學(xué)習(xí)實際出發(fā)，有的放矢。針對課程的重點和難點開發(fā)出的自學(xué)模型，將抽象的知識具現(xiàn)化，直擊學(xué)習(xí)的“痛點”。學(xué)生可以在課后任意時間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，訓(xùn)練空間想象力。

（2）提高了模型精度，降低了制作成本。傳統(tǒng)的教學(xué)輔助模型，大多數(shù)需要手工制作，存在著效率低、精度低、成本高等問題，很難滿足學(xué)生的需求。利用3D打印技術(shù)，通過三維數(shù)字化設(shè)計制作的模型，精度極高。提高了制作效率的同時，也大大降低了制作成本。

（3）拓展了學(xué)生的3D思維。讓學(xué)生全程參與從三維建模到3D打印的三維數(shù)字化設(shè)計的全過程，既拓展了3D思維，又增強(qiáng)了創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了學(xué)與做一體化的新模式。通過讓學(xué)生親身參與到模型的設(shè)計中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 設(shè)計制圖學(xué)具開發(fā)流程

開發(fā)設(shè)計制圖學(xué)具模型，具體流程如下：

（1）分析設(shè)計制圖學(xué)習(xí)中的難點和重點。例如，物體貫通和截切中的難點、三視圖的繪制等。通過向?qū)W生發(fā)放問卷的方式，匯總一些經(jīng)常出錯的題目。從學(xué)習(xí)的實際出發(fā)，總結(jié)學(xué)習(xí)過程中常見的問題。

（2）使用solidworks等軟件建立三維實體模型。建模過程可以使用“層疊法”或“刪減法”，對于復(fù)雜的組合體模型，可以用到裝配或曲面的命名。模型按1︰1建立，建好的模型經(jīng)檢查后導(dǎo)出STL文件。

（3）通過實驗篩選出適合開發(fā)學(xué)具的3D打印工藝。綜合考慮制作精度、成本和效率等因素。選用熔融沉積3D打印工藝制作模型，該工藝具有制作效率高、材料成本低、操作簡單等特點，適合于制作設(shè)計制圖學(xué)具模型。通過打印參數(shù)設(shè)置，制作出質(zhì)量較高的學(xué)具模型。

（4）對3D打印制作的學(xué)具模型進(jìn)行后期處理。主要步驟為拋光打磨，去除毛刺，使其表面光滑。對于需要突出強(qiáng)調(diào)的點、線和面，還可以上色。最后，進(jìn)行包裝設(shè)計和使用說明書設(shè)計。

5 結(jié)語

本文結(jié)合專業(yè)課程的特點，將全新的技術(shù)引入傳統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)中，總結(jié)了設(shè)計制圖學(xué)具開發(fā)的優(yōu)勢和流程。設(shè)計制圖學(xué)具的開發(fā)，可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)設(shè)計制圖的知識，增強(qiáng)空間想象力;既拓展了3D思維，又增強(qiáng)了創(chuàng)新能力，有效地解決了課程學(xué)習(xí)中存在的問題，可以為3D打印技術(shù)在其他課程中的應(yīng)用提供范例。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術(shù)的中國古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 曹釋予，劉祎.綠植在家居產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].家具，2019，41（2）：78-83.

[4] 王子軒，吳智慧.辦公環(huán)境中建筑與家具的文化體現(xiàn)[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[5] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發(fā)展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

通訊作者：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院實驗師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計工程。