3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張華

摘要：3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，在創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用越來(lái)越廣泛.本文提出了3D打印技術(shù)在高校大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)轉(zhuǎn)變工業(yè)設(shè)計(jì)理念，提高工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)和影響。在教育領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，尤其是在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；能力培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2016）031-000-02

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)快速制造技術(shù)、增材制造技術(shù)等等，是一種新型的快速成型技術(shù)。它是將構(gòu)建的三維數(shù)模通過(guò)分層軟件進(jìn)行分層，利用液態(tài)樹(shù)脂或者粉末狀的塑料、金屬等材料逐層疊加粘結(jié)或燒結(jié)等方式構(gòu)造成模型。這種新興技術(shù)在機(jī)械、工業(yè)、生物、航空、建筑等領(lǐng)域都已得到一定的關(guān)注與應(yīng)用。與傳統(tǒng)制造方式相比，這種技術(shù)的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)就在于將CAD設(shè)計(jì)的三維模型通過(guò)3D打印成型機(jī)直接快速形成可展示的具體的實(shí)物，將人們構(gòu)想的虛擬物體轉(zhuǎn)化為可穿、可用的實(shí)體。3D打印技術(shù)可以拓展人們的思維和想象空間。因此，我們將3D打印技術(shù)與高校教育教學(xué)充分融合，將會(huì)對(duì)大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到不可忽視的重要作用。

一、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

什么是創(chuàng)新？就是人們利用已知的知識(shí)及技法突破常規(guī)的思維方式去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，產(chǎn)生出新地成果。而什么是創(chuàng)新能力呢？就是在已有的發(fā)明創(chuàng)造上，運(yùn)用自己的新發(fā)明、新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行改革、創(chuàng)新的一種能力。這種能力就是人們普遍具有的，而且是可以激發(fā)的。因而，在教育教學(xué)中，在重視學(xué)生們理論知識(shí)和實(shí)踐能力的基本素質(zhì)學(xué)習(xí)的同時(shí)，必須強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維，必須注重獨(dú)立自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、創(chuàng)新觀點(diǎn)的能力等。所以我們要加強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，致力更好的進(jìn)行創(chuàng)造。

什么是設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)在創(chuàng)新創(chuàng)意、促發(fā)商業(yè)成功及提升生活質(zhì)量是不可或缺的，是一種跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)。它將創(chuàng)新——技術(shù)——商業(yè)——研究——消費(fèi)者緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行構(gòu)造解決提出的問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，確定方案，建立更好的產(chǎn)品——系統(tǒng)——服務(wù)——體驗(yàn)提升新的價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，催生出更為價(jià)值多樣化、審美豐富化、需求的多元化的產(chǎn)品。

二、3D打印在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，創(chuàng)新技術(shù)的關(guān)鍵在于運(yùn)用設(shè)計(jì)獲得積極效果。從3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的意義不同凡響，起到了一定的促進(jìn)作用。其不僅縮短了設(shè)計(jì)與樣品的制作時(shí)間，還提高了樣品制作的精準(zhǔn)度。確保了工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型的整體質(zhì)量，具體表現(xiàn)在：（1）提高了工業(yè)設(shè)計(jì)的整體水平。從工業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際進(jìn)程來(lái)看，3D打印技術(shù)的運(yùn)用是保障工業(yè)設(shè)計(jì)有效進(jìn)行的重要手段，是工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展到一定階段的必然需要，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用非常明顯。（2）推動(dòng)了工業(yè)設(shè)計(jì)的全方位發(fā)展。3D打印技術(shù)積極有效地推進(jìn)了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)地研發(fā)過(guò)程，而工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)正是研發(fā)顯著效果的重推因素。（3）進(jìn)化了設(shè)計(jì)。從產(chǎn)品的成型方式來(lái)說(shuō)，3D打印的產(chǎn)品不存在模具、夾具等一系列輔助成型方式的要求，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)工作由3D打印機(jī)直接來(lái)完成了。3D打印技術(shù)將高風(fēng)險(xiǎn)成本得到控制。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期將會(huì)大幅度的縮短，研發(fā)費(fèi)用也會(huì)降低。這種自由的制造方式解放了產(chǎn)品外觀的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用更多樣的設(shè)計(jì)而不再受生產(chǎn)工藝限制。

針對(duì)生成式設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，不僅要求在設(shè)計(jì)的方法上要兼顧產(chǎn)品的外部形態(tài)、部件層面的結(jié)構(gòu)、部件的內(nèi)部細(xì)節(jié)，同時(shí)還需要能夠處理大量細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)輔助工具的支持。而現(xiàn)有的，無(wú)論是基于曲面內(nèi)核還是實(shí)體內(nèi)核的設(shè)計(jì)輔助軟件均沒(méi)有涉及到產(chǎn)品組件內(nèi)部的構(gòu)造，也難以處理生成式設(shè)計(jì)的海量數(shù)據(jù)，所以基于3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)輔助軟件亟待開(kāi)發(fā)。未來(lái)的設(shè)計(jì)輔助工具將更加智能，可以處理復(fù)雜的產(chǎn)品內(nèi)部細(xì)節(jié)，區(qū)分不同的材料，甚至可以編寫(xiě)由數(shù)字化單元組成的產(chǎn)品的程序。只有契合新的制造方式的設(shè)計(jì)軟件才能發(fā)揮3D打印技術(shù)在復(fù)雜形態(tài)、混合材質(zhì)甚至于體素化產(chǎn)品等方面的優(yōu)勢(shì)，從而擴(kuò)展設(shè)計(jì)的空間，產(chǎn)生更加優(yōu)良的產(chǎn)品。

在3D打印制造模式下，使從事產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作所需要具備的職業(yè)素質(zhì)要求更高，需要豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和應(yīng)用能力來(lái)保證產(chǎn)品的研發(fā)朝著正確的方向推進(jìn)。具體如下：（1）知識(shí)多元化。其不僅要承擔(dān)設(shè)計(jì)師的工作，同時(shí)還要涉及工程、制造以及商業(yè)等以往由其他職業(yè)人員所從事的工作。（2）創(chuàng)意多元化。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)在其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、美學(xué)、環(huán)境、人機(jī)工程等要素中需呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。（3）美學(xué)素養(yǎng)提升。3D打印技術(shù)打破了制造工藝對(duì)于產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)的限制，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)良，同時(shí)也解放了產(chǎn)品在美學(xué)層面的限制，所以產(chǎn)品的形式將更加的藝術(shù)化、意義化，這就要求設(shè)計(jì)師對(duì)于美學(xué)的認(rèn)知更加深刻。

三、3D打印技術(shù)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用

在信息技術(shù)飛快速發(fā)展的今天，在高等教育教學(xué)緊迫要求適時(shí)適用現(xiàn)代教育教學(xué)方法和技術(shù)。而3D打印這門(mén)新技術(shù)恰好被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，這種技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)模式，積極地促進(jìn)并影響傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，對(duì)提高工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量、推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展具有重要的意義。在教育領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，尤其是在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用。

以我院學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目“多功能音箱播放器”為例，學(xué)生在經(jīng)過(guò)相關(guān)課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的培訓(xùn)后，以創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)為小組的模式進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)、分工、保證項(xiàng)目的實(shí)施，具體的工藝流程如下：明確設(shè)計(jì)內(nèi)容—市場(chǎng)調(diào)研—構(gòu)思產(chǎn)品草圖（如圖1）—運(yùn)用三維建模軟件UG構(gòu)建數(shù)模（如圖2）—運(yùn)用圖像處理軟件PS繪制產(chǎn)品效果圖（如圖3）—運(yùn)用FDM快速成型機(jī)快速制作樣件（如圖4）。

學(xué)生利用3D打印機(jī)直接打印出設(shè)計(jì)的實(shí)物，在根據(jù)實(shí)際情況不斷的調(diào)整設(shè)計(jì)圖紙、結(jié)構(gòu)圖紙、以及后來(lái)的制造原型。在調(diào)整的過(guò)程中確定方案、完善設(shè)計(jì)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)、外觀特征尺度等等。極大縮短實(shí)物制造時(shí)間，提高工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。學(xué)生在學(xué)過(guò)程中參與完成了產(chǎn)品的制造的整個(gè)流程：設(shè)計(jì)——打印——裝配——調(diào)試等，不僅在操作能力、制作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新能力的得到發(fā)展，而且學(xué)生可以從設(shè)計(jì)——制作——展示——參與等多維角度融進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程，有效地激發(fā)學(xué)生實(shí)踐的積極性及學(xué)習(xí)的熱情，創(chuàng)新性和創(chuàng)造力也得到了更加充分的鍛煉。

3D打印技術(shù)融入到教育教學(xué)中，可將抽象概念及設(shè)計(jì)引入現(xiàn)實(shí)世界變成可視化、可觸摸實(shí)體，便于學(xué)生們獲得更多地認(rèn)知體驗(yàn)，提高了理解能力、拓展了創(chuàng)造性思維能力，從而有效地提高了學(xué)習(xí)效果。3D打印這項(xiàng)技術(shù)在知識(shí)和技能、理論和現(xiàn)實(shí)之間架起了不可忽略的橋梁，在豐富學(xué)生們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，及為在教師在該內(nèi)容的講解提供了一種更直接、更有效的教學(xué)方式。

四、結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)的運(yùn)用，可以快速制造出學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)的三維數(shù)模，不僅有助于學(xué)生們改良自己設(shè)計(jì)的作品，并且能更加準(zhǔn)確地理解他們的創(chuàng)作過(guò)程。所以將3D打印技術(shù)運(yùn)用到教育教學(xué)中是將思想、智慧、科技與教學(xué)有機(jī)融合的最佳手段，提高學(xué)生們的創(chuàng)新能力，拓展學(xué)生的感知及思維能力。

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