基于數(shù)字化建模的3D打印實踐教學

徐 巍，李翠超，凌 芳

（上海交通大學學生創(chuàng)新中心，上海 200240）

0 引言

隨著“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”以及“創(chuàng)客教育”的全面實施，加強實踐教學，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應用型人才具有重要的戰(zhàn)略意義。創(chuàng)新設計和3D打印是“創(chuàng)客教育”的重要組成部分，是實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

數(shù)字化建模一般可以通過直接創(chuàng)意正向設計或逆向數(shù)據(jù)采集反求建模來完成。采用正向設計建模的方法，技術人員根據(jù)客戶要求或市場需求直接進行創(chuàng)意構思設計，并進行三維建模，產(chǎn)生數(shù)字化模型，并通過不斷地修改來優(yōu)化設計，以達到客戶和市場的要求。而采用逆向建模的方法，技術人員在無紙化或圖紙不全的情況下，直接對現(xiàn)有模型進行數(shù)據(jù)采集和處理，反求得到數(shù)字化信息，再將創(chuàng)新元素添加進去，提高了創(chuàng)新的效率，加快產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本［1-2］。所以，正向三維建模和逆向反求建模這兩者都是先進數(shù)字化技術的重要手段。

隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭愈加激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代市場競爭的需要，3D打印技術就是在這樣的背景下出現(xiàn)并迅速發(fā)展的。3D 打印技術是在計算機控制與管理下，根據(jù)數(shù)字化模型直接驅(qū)動，快速打印出實物模型，并可以使用這些原型件組裝出產(chǎn)品模型。它徹底改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的加工方式，不需要專用的工具和刀具就可以在極短的時間內(nèi)制作出復雜的產(chǎn)品模型，幫助企業(yè)迅速占領市場，充分突出了該技術的高柔性和快速性，被稱為“第三次工業(yè)革命”［3-5］。

1 3D打印實踐教學目標

隨著計算機和3D 打印技術的迅速發(fā)展，各高校都逐步開展了CAD和3D打印的實踐教學，我校學生創(chuàng)新中心相繼購買了三坐標測量儀、激光掃描儀和3D打印機等專業(yè)設備。通過“數(shù)字化建?！焙汀?D打印”相結合的實踐教學，針對不同專業(yè)、不同年級的學生，采用不同模塊組合的教學方法，激發(fā)學生創(chuàng)新思維，學生可以掌握正向三維建模、逆向反求建模和3D 打印技術的理論知識，能夠熟練使用三維建模軟件、掃描設備和逆向工程軟件進行產(chǎn)品的數(shù)字化建模，并能熟練操作3D打印設備進行模型的快速打印制作，讓學生對先進數(shù)字化技術和先進制造技術有更全面的了解，提高學生的認知能力、溝通能力、設計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力［6］。

2 3D打印實踐教學實施

3D打印技術實踐教學的對象是學校的本科生，覆蓋了機類、近機類、非機類的學生。為了達到實踐教學目標，采用了“做中學，學中做”的教學模式，堅持理論實踐并重的教學原則，理論知識點貫穿于實踐教學的整個環(huán)節(jié)，跟蹤技術發(fā)展前沿，堅持“對象化學習”和“個性化教學服務”的原則，針對不同專業(yè)學科的要求，分別采用正向設計＋3D打印、逆向反求＋3D打印的課程體系，講解三維建模軟件的使用、掃描技術的原理、掃描設備的使用方法、逆向工程軟件的使用、3D打印技術的基本原理和典型工藝以及設備操作。通過理論和實踐教學環(huán)節(jié)的學習，使學生能夠運用三維設計軟件進行創(chuàng)意構思設計，能夠操作彩色掃描儀進行實物數(shù)據(jù)采集，使用Geomagic Studio 逆向軟件對采集的數(shù)據(jù)進行修復和重建，操作3D 打印機進行數(shù)字化模型的快速打?。?-8］。

2.1 三維建模實踐教學模塊

在整個教學過程中教師采用多媒體課件講解三維設計軟件（PRO／E、UG、CATIA、SOLIDWORKS）的使用技巧、產(chǎn)品設計的要求以及創(chuàng)新思維的方法，讓學生能夠熟練運用設計軟件將自己的創(chuàng)意用數(shù)字化模型表達出來。學生可以以個人或團隊形式來完成創(chuàng)意設計和模型的虛擬裝配。在整個教學過程中，不是以老師為中心，而是要發(fā)揮學生的獨立思考和創(chuàng)造性，學生帶著任務和問題來進行實踐學習，各個專業(yè)的學生發(fā)揮各自的特點參與創(chuàng)意，同學之間相互討論、取長補短，實踐過程更有目的性和趣味性，避免傳統(tǒng)設計類實踐教學的任務單一、枯燥的弊端。圖1 所示為學生創(chuàng)意設計作品。

圖1 學生創(chuàng)意設計

2.2 逆向建模實踐教學模塊

逆向建模主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的數(shù)字化重建。教師采用多媒體課件、現(xiàn)場演示和實際操作等教學手段，以smartscan—2.0M 彩色掃描儀和EinScan-Pro手持掃描儀為操作對象（見圖2），講解掃描技術的基本原理和操作技巧以及Geomagic Studio軟件的使用技巧。圖3 所示為模型的數(shù)據(jù)采集與處理。學生以分組協(xié)作形式對現(xiàn)有模型進行數(shù)據(jù)采集和處理，先給原始模型貼標記點進行空間定位，再使用smartscan掃描儀準確捕捉模型的點云數(shù)據(jù)，再利用軟件對數(shù)字化模型進行去噪點、表面光順、優(yōu)化數(shù)據(jù)、清楚網(wǎng)格、添加創(chuàng)意，完成數(shù)字化模型的修補、優(yōu)化和創(chuàng)新設計。學生針對各自專業(yè)，挑選合適的模型，并在現(xiàn)有模型基礎上加入各自的創(chuàng)意，提高了創(chuàng)意設計的效率和合理性［10-12］。

圖2 兩種掃描儀外形圖

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3 3D打印實踐教學模塊

圖4 3D打印設備

圖5 FDM原理

3D打印實踐教學主要是以珠海天威的X3045 和閃鑄的GUIDER 兩款設備（見圖4）為操作對象，通過現(xiàn)場演示和實際操作等教學手段來講解FDM 技術的原理（見圖5）、特點，兩種設備的結構，配套軟件Print-Rite和FlashPrint的使用技巧。學生應能熟練操作3D打印設備對三維建?；蚰嫦蚪５玫降臄?shù)字化模型進行“導入模型文件—處理模型數(shù)據(jù)—打印參數(shù)設置—3D打印—后處理”的整個過程，讓學生親身體驗從設計到快速制造的完整過程。將創(chuàng)新設計與3D 打印結合起來，可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，并能實現(xiàn)按需訂制，滿足個性化產(chǎn)品制造的需求［9］。圖6 所示為學生3D打印作品。

圖6 學生3D打印作品

3 教學效果

近年來，不光中心將3D打印納入實踐教學環(huán)節(jié)，學校各院系開設的工程學導論、設計與制造Ⅱ、工程實踐等通識核心課都將3D 打印作為教學的一個內(nèi)容?；跀?shù)字化建模的3D打印實踐教學不僅適用于中心的實踐課程，還協(xié)助院系老師完成核心課程教學。不同專業(yè)、不同年級的學生可以通過不同的模塊組合來完成實踐教學，讓學生接觸到了三維建模、逆向建模等先進數(shù)字化技術和3D 打印的先進制造技術，學生在實踐學習的過程中對產(chǎn)品的設計與制造過程有了更全面的認識，掌握了從“創(chuàng)意構思—數(shù)字化設計—3D 打印—優(yōu)化—產(chǎn)品成形”的完整過程，從而拓寬了視野，有助于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高實踐學習的熱情和興趣，對學生今后的科創(chuàng)實踐活動打下扎實的基礎［13］。

4 結語

實踐教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要平臺，通過開展基于數(shù)字化建模的3D 打印的實踐教學，將單一的實踐教學項目和分散的實習模塊串聯(lián)起來，將虛擬的數(shù)字化建模應用于實際的3D 打印，體現(xiàn)出該實踐教學項目的連貫性和高度交叉性，避免傳統(tǒng)的單一實驗模式對教學資源的浪費［14］，學生在項目實習過程中更有目的性，加強了學習的主動性，充分體現(xiàn)了學生在實習過程中的主體地位和教師的啟發(fā)式引導作用?；跀?shù)字化建模的3D 打印的實踐教學研究，符合學生創(chuàng)新中心的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學改革思路，促進實踐教學改革的深入發(fā)展，實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，加強學生的創(chuàng)新意識、工程綜合素質(zhì)與工程實踐能力，更符合企業(yè)對工程創(chuàng)新人才的要求［15-16］。