基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)探究

劉勃崢

摘要：眾所周知，3D打印技術(shù)是一種新興的技術(shù)，并且在制造領(lǐng)域掀起了改革的風(fēng)暴。本文首先介紹了什么是3D打印技術(shù)，并根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用3D打印技術(shù)的問(wèn)題與不足，探討了具體改進(jìn)的方法，并通過(guò)具體的應(yīng)用，向大家展示基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果，希望可以起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì);3D打印;實(shí)踐;創(chuàng)新

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0026-02

將3D打印技術(shù)合理運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，還能夠開(kāi)拓學(xué)生的思維，有利于幫助學(xué)生更好地理解3D打印技術(shù)，并且與實(shí)際生產(chǎn)、加工和制造產(chǎn)生聯(lián)系，全面提高學(xué)生的素質(zhì)和能力，為社會(huì)輸送高質(zhì)量的人才。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)概述

3D打印（3DP）即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)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(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車(chē)，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(lǐng)域都有所應(yīng)用。

1.2 基本原理

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，主要的工藝是熔融沉積制造技術(shù)。在進(jìn)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(jī)噴頭移動(dòng)軌跡的幾何信息。當(dāng)幾何信息生成后，使用計(jì)算機(jī)控制噴頭，堆砌零件，并且把絲狀材料送入到熱熔噴頭內(nèi)，溫度上升后，絲狀材料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿诨癄顟B(tài)，經(jīng)過(guò)噴頭擠壓，可以沉積固化成為精準(zhǔn)的零件薄層，然后重復(fù)進(jìn)行這一過(guò)程，直到形成一個(gè)完整的三維零件實(shí)體[1]。

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

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用3D打印技術(shù)的不足之處

目前，3D打印技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，在眾多領(lǐng)域開(kāi)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(shí)滿足了人們個(gè)性化的需求。一些西方先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，幫助學(xué)生更好地理解技術(shù)的特點(diǎn)，提高他們的創(chuàng)新意識(shí)和能力。但是我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中在應(yīng)用3D打印技術(shù)時(shí)存在一定的不足。

一方面，很多高校雖然斥巨資購(gòu)買(mǎi)和引進(jìn)了3D打印設(shè)備，但是教師在教學(xué)過(guò)程中，還是沿用傳統(tǒng)的思維模式，沒(méi)有充分發(fā)揮3D打印設(shè)備的作用，使得這些高精密儀器成為了擺設(shè);另一方面，一些高校教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，有意識(shí)地讓學(xué)生多接觸和多使用3D打印機(jī)，但是打印的內(nèi)容主要是一些簡(jiǎn)單的物體，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的興趣，也不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，造成了資源的浪費(fèi)。如果實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法高效利用3D打印技術(shù)，那么在培養(yǎng)技術(shù)人才方面，就會(huì)顯得捉襟見(jiàn)肘，不利于學(xué)生全面的發(fā)展，而且無(wú)法滿足社會(huì)、企業(yè)以及國(guó)家人才方面的需求[2]。

3 優(yōu)化3D打印技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

3.1 完善3D打印教學(xué)理念

基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)包括建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，因?yàn)?D打印技術(shù)可以豐富實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和情境，讓學(xué)生在良好的氛圍下進(jìn)行動(dòng)手操作，豐富他們的知識(shí)框架;還包括“做中學(xué)”理論，它是美國(guó)人杜威提出的一種新型學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、探究以及反思等活動(dòng)，將抽象的理論具體化，從而獲得知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。

3.2 制定合理的教學(xué)計(jì)劃

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，首先，教師要承擔(dān)主導(dǎo)作用，并且以學(xué)生為主體，合理分配和布置學(xué)習(xí)目標(biāo)，劃分學(xué)習(xí)任務(wù)，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，營(yíng)造適合學(xué)生展開(kāi)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的環(huán)境。其次，教師要找到教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，并且做到細(xì)致入微，比如分為理論知識(shí)學(xué)習(xí)部分、實(shí)物觀察掃描部分、系統(tǒng)軟件操作部分以及隨堂練習(xí)測(cè)試部分等。教師布置完具體的任務(wù)后，要深入學(xué)生內(nèi)部與學(xué)生共同完成，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的不足，提出改進(jìn)意見(jiàn)。另外，教師要帶領(lǐng)學(xué)生熟悉3D打印設(shè)備的操作規(guī)則，避免對(duì)儀器和設(shè)備造成損壞，同時(shí)保證自身安全。最后，在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，教師不僅要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，還要參照學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的具體表現(xiàn)，同時(shí)讓小組內(nèi)部的學(xué)生進(jìn)行互評(píng)，以提高評(píng)價(jià)的科學(xué)性。

3.3 豐富教學(xué)流程

教師在應(yīng)用3D打印技術(shù)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際生活和學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)具體的情境，豐富學(xué)生的知識(shí)體系，開(kāi)拓學(xué)生的思維，使其大膽進(jìn)行設(shè)計(jì)，小心進(jìn)行求證。教學(xué)目標(biāo)讓學(xué)生對(duì)形態(tài)有更深入的理解，利用當(dāng)前主流數(shù)據(jù)模型的建造方法，同時(shí)掌握3D打印所對(duì)應(yīng)的軟件，如Autodesk 3ds Max（POLYGON）和Rhinoceros （NURBS）此類(lèi)用數(shù)據(jù)的形式表達(dá)要設(shè)計(jì)形態(tài)的軟件，同時(shí)要求學(xué)生掌握V-Ray和KeyShot軟件的使用方法，結(jié)合不同的產(chǎn)品制作出多種風(fēng)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(xué)生通過(guò)教師的示范以小組為單位展開(kāi)設(shè)計(jì)討論，學(xué)生通過(guò)手繪開(kāi)始設(shè)計(jì)產(chǎn)品，構(gòu)造平面圖紙，然后使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以互相討論，而教師要耐心傾聽(tīng)，不要打擊學(xué)生的進(jìn)取心和積極性。

3.4 合理增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要做好課前準(zhǔn)備工作，并且將模型導(dǎo)入到切片軟件中，這樣學(xué)生能夠?qū)η衅脑砗蛥?shù)一目了然，然后再帶領(lǐng)學(xué)生觀察打印的整個(gè)過(guò)程，讓學(xué)生有個(gè)基本的了解。如果想要提高學(xué)生的能力，需要讓學(xué)生獨(dú)立分析不同的切片參數(shù)設(shè)置對(duì)打印效果的影響，找到提高打印質(zhì)量的方法，并且做好反饋工作，避免誤差的出現(xiàn)。另外，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(dòng)機(jī)等，而且3D打印不需要對(duì)零件進(jìn)行拆分，可以實(shí)現(xiàn)一次成型。一些學(xué)生的基礎(chǔ)較好，可以充分發(fā)揮想象力，設(shè)計(jì)出獨(dú)一無(wú)二的三維模型，并且打印出具體的實(shí)物，這樣可以提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力。

3.5 合理利用教學(xué)資源

對(duì)于高校而言，教學(xué)資源合理的應(yīng)用可以滿足學(xué)生實(shí)踐要求。比如以班級(jí)、以小組或者是以個(gè)人為單位，開(kāi)設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑咝У乩脤?shí)驗(yàn)資源，也可以增加3D打印技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)選修課。

4 基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)沒(méi)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

4.1 課程實(shí)驗(yàn)

以某高校工業(yè)設(shè)計(jì)為例，教師在展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，推廣和使用了先進(jìn)的3D打印技術(shù)，在學(xué)生內(nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)烈的反響，學(xué)生不僅了解了機(jī)械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展情況，還加深了對(duì)制造工藝特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。特別是進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生踴躍地參與，實(shí)驗(yàn)熱情空前高漲，學(xué)生能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、提出和解決問(wèn)題，這樣極大地提高了學(xué)生自身的主體地位。在打印過(guò)程中，學(xué)生可以自主調(diào)節(jié)切片的熔融溫度以及放置角度，同時(shí)能夠分析和預(yù)判噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣能夠提高打印結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且節(jié)省材料和資源（圖1）。

4.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

在基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力，制作出了種類(lèi)多樣的作品，科技含量很高，并且在不斷探索的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了自身的成長(zhǎng)（圖2）。近年來(lái)，一些高校大學(xué)生利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了很多設(shè)計(jì)作品，并且獲得了不俗的成績(jī)（圖3）。在國(guó)家號(hào)召創(chuàng)新的今天，高校應(yīng)該主動(dòng)肩負(fù)起培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重任，激發(fā)學(xué)生的潛能，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)論

綜上所述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，并且與學(xué)生的學(xué)分直接掛鉤，影響學(xué)生的畢業(yè)成績(jī)和就業(yè)選擇，所以重要性日益凸顯。本文對(duì)基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)展開(kāi)了探究，從基礎(chǔ)、框架、流程、類(lèi)型以及機(jī)制等方面進(jìn)行了總結(jié)，并參照真實(shí)的應(yīng)用案例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，符合國(guó)家創(chuàng)新的要求，可以極大的提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。

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