基于三維設(shè)計軟件的快速成型技術(shù)實驗課程的教學(xué)探討

王 琛， 陸雪億， 李晶晶

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

快速成型技術(shù)又稱3D打印快速成型技術(shù)[1]，在國內(nèi)各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越多，也因此逐漸走入了高校的實驗課堂[2]。國內(nèi)大部分高校的工業(yè)設(shè)計專業(yè)均開設(shè)了與快速成型技術(shù)相關(guān)的實驗實踐類課程[3]。有獨立設(shè)置的實驗課程，也有包含在具體課程中的實驗課程。課時安排以16課時為主[4]，教學(xué)內(nèi)容包含了快速成型技術(shù)相關(guān)理論的講授、快速成型設(shè)備的實際操作、三維模型的設(shè)計與制作[5]。與傳統(tǒng)的工科類實驗教學(xué)不同，快速成型技術(shù)的實驗教學(xué)，需要突破傳統(tǒng)工科類實驗教學(xué)的枯燥和乏味，與三維設(shè)計軟件的應(yīng)用實操相互結(jié)合，選用“趣味”和“個性化”的教學(xué)案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和積極性，同時充分發(fā)揮了快速成型技術(shù)個性定制的特點。

1 教學(xué)目標

通過快速成型技術(shù)實驗課程的教學(xué)，使學(xué)生從理論和實操兩個方面認識快速成型技術(shù)，理論方面包括熟悉各種快速成型技術(shù)的工藝特點和使用范圍[6]，實操方面包括掌握主要快速成型設(shè)備的操作方法，自行設(shè)計三維模型并操作設(shè)備制作模型，體驗數(shù)字化設(shè)計與制造的全過程[7]。通過理論學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，在鍛煉學(xué)生設(shè)計素養(yǎng)的同時培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，實現(xiàn)設(shè)計和技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生的專業(yè)技能和設(shè)計能力[8]。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

充分發(fā)揮快速成型技術(shù)個性化定制的特點，從“有趣”的角度出發(fā)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容一方面符合工業(yè)設(shè)計實驗實踐課程的大綱要求，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和實踐能力；另一方面強調(diào)“趣味性”和“個性化”[9]?！叭の缎浴本褪峭ㄟ^趣味的教學(xué)案例，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗的主動性[10]?！皞€性化”就是充分發(fā)揮快速成型個性化定制的特點，學(xué)生設(shè)計和制作屬于自己的模型[11]。

3 教學(xué)實例

根據(jù)教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，選用月球燈的設(shè)計與制作及定制U盤的設(shè)計與制作兩個實驗項目為教學(xué)實例。

3.1 月球燈的設(shè)計與制作

月球燈是快速成型技術(shù)制作的“網(wǎng)紅”產(chǎn)品，在各大電商平臺上有不俗的銷量[12]。月球燈的外殼為表面有凹凸狀浮雕特征的縮小版月球模型，其內(nèi)安裝有可變顏色的LED發(fā)光模塊和電源模塊[13]。通過快速成型技術(shù)制作的月球燈外殼，在內(nèi)部燈光的照射下，將月球表面“山脈”“月影”和“隕石坑”的效果展現(xiàn)的生動逼真，備受年輕人的喜愛[14]。

選擇月球燈為教學(xué)和實踐制作的案例體現(xiàn)了“趣味性”，一方面迎合了學(xué)生的喜愛，通過自己的實驗操作設(shè)計并制作出“網(wǎng)紅”產(chǎn)品，激發(fā)學(xué)生內(nèi)心的主觀能動性，培養(yǎng)實驗過程的成就感，從而加深了對實驗操作的記憶和對快速成型技術(shù)的理解。另一方面，月球燈設(shè)計制作過程，是從三維設(shè)計到產(chǎn)品制作成型的全過程，也是三維數(shù)字化設(shè)計和制作的全過程，培養(yǎng)了學(xué)生的3D思維和三維技能，提高了學(xué)生的工程實踐能力。

月球燈的設(shè)計和制作過程相對復(fù)雜，設(shè)計月球外殼為上下兩部分模型，上部分模型為大半個月球殼體，下部分模型為小半個月球殼體。下部分模型中心位置需要留置電源孔，用于放置電源模塊，電源模塊包含LED燈、電池和充電座。月球燈殼體表面的浮雕效果通過三維設(shè)計軟件或浮雕生成器生成[15]。使用熔融沉積工藝分別制作上下兩部分模型，制作好上下兩部分模型后，將電源模塊安裝于下部分電源孔處，使用熱熔膠進行固定連接。上下兩部分模型通過502膠水粘接。

月球燈三維模型可以選用多種三維軟件進行設(shè)計。本文以ZBrush軟件為例，通過ZBrush軟件繪制月球燈模型，選擇工具里面的Sphere3D命令，在操作區(qū)域建立一個球體，并選擇編輯命令進行編輯。點擊工具選項里的Make Plymesh3D命令，將參數(shù)化球體轉(zhuǎn)化為mesh(網(wǎng)格)球體，以便進行編輯。點擊工具>幾何>DynaMesh，進行動態(tài)調(diào)整mesh(網(wǎng)格)球體的密度、形狀等。點擊Alpha>import>準備好的月面貼圖，然后選擇水平轉(zhuǎn)命令，對圖像方向進行調(diào)整。在UV map里生成UVs(UVs是球的映射，也有其他柱映射、面映射等，與貼圖的分布配合)，在Mask里mark by Alpha，把長方圖像映射貼到球面上，如圖1所示。點擊Tool>Geometry>Subdivide mesh，細分到第3級。調(diào)整Inflate(Tool>Geometry>Deformation>Inflate)，根據(jù)圖像的灰度，把光滑球面變形，可選正負，即越暗的地方越凸，根據(jù)感覺適當選擇變形程度。至此，月球燈浮雕三維模型設(shè)計完成。

3.2 定制U盤的設(shè)計與制作

快速成型定制U盤，可實現(xiàn)U盤的個性化定制。個人或公司可將宣傳或展示的信息定制在U盤上，而個性定制化的特征正適合于用快速成型技術(shù)來實現(xiàn)。因此，無論在線上平臺還是線下服務(wù)，快速成型定制U盤都有較為廣泛的應(yīng)用[16]。

選擇定制U盤為教學(xué)和實踐制作的案例，更加突出快速成型技術(shù)個性化定制的特點[17]。一方面，學(xué)生定制的U盤可以作為自我使用或饋贈的物品，具有較高的實用性[18]。設(shè)計與制作過程也可以給學(xué)生帶來樂趣，鍛煉了三維技能[19-22]。另一方面，通過定制U盤的設(shè)計和制作，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意，發(fā)散學(xué)生的思維，讓學(xué)生設(shè)計出更多用快速成型技術(shù)制作的個性化定制產(chǎn)品[23]。

快速成型定制U盤首先需要設(shè)計U盤的三維模型，選用UG、SolidWorks或Raino軟件進行設(shè)計，定制U盤的內(nèi)容可以是文本，也可以是數(shù)字或圖案。以UG軟件為例，在UG軟件中新建拉伸長方體，選擇插入>曲線>文本命令，以拉伸長方體的上表面為參考平面，輸入定制文本，設(shè)定文本的字體和大小。退出文本命令后，對定制文本進行拉伸或切割操作，定制U盤的文本設(shè)計便可完成，如圖2所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要預(yù)留放置U盤芯片的槽，U盤芯片通常采用帶有不銹鋼外殼的黑膠體芯片，通過502膠固定在U盤芯片槽中。U盤殼體需要根據(jù)模型的復(fù)雜程度，選用不同的快速成型工藝。復(fù)雜的模型選用立體光固化工藝完成制作，簡單的模型選用成本較低的熔融沉積工藝完成制作。

圖1 映射月球圖像

圖2 設(shè)計定制文本

4 小結(jié)

隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，其在高校課堂中的應(yīng)用越來越多。本文通過改變傳統(tǒng)工科類實驗教學(xué)的思維，提出適合快速成型技術(shù)實驗教學(xué)的方法和案例，使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)并掌握快速成型技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和設(shè)計能力，提高學(xué)生的工程實踐能力，推動應(yīng)用型人才的塑造。