基于3D打印技術的眼鏡設計工作室教學改革與實踐

李藝

摘要：將最新技術3D打印用于眼鏡設計工作室教學中，探討新技術下的教學改革與實踐。根據眼鏡設計項目的流程，探討教學過程、教學內容、教學實施融入新技術后的改革與實施。3D打印技術的介入，使眼鏡設計整個過程，內容更豐富，設計更眼鏡，學生的設計能力得到了更好的鍛煉，增強了學生設計成就感，逐漸地提高學生深入設計的能力。促進教學成果的獲得。為3D打印技術用于藝術設計其他工作室教學提供參考。

關鍵詞：3D打印 眼鏡設計 藝術設計工作室教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）07-0109-03

引言

隨著生活條件的改善和經濟收入的提高，眼鏡不再只為預防近視加深而使用，它已漸漸演變為穿著打扮的一部分，成為人們喜愛的裝飾品。眼鏡消費的個性化、時尚化、品牌化、高檔化的趨勢日益顯著。

本學院基于珠三角產業需求，在產品藝術設計專業下開設了眼鏡設計工作室，主要對接深圳橫崗的眼鏡行業。在3D打印技術的介入下，與深圳榮威光學眼鏡有限公司合作開發了十一款造型獨特、設計新穎的時尚眼鏡，建立了橫向課題“時尚眼鏡設計”，多次參加比賽獲得獎項，其中參加的中國（深圳）國際眼鏡大賽，包攬學生組半數以上獲獎名額，受邀參加頒獎典禮，并在現場與橫崗眼鏡時尚協會簽訂了戰略合作協議，被中國眼鏡科技雜志報道，該報道已被中國知網收錄。另外申請了外觀專利十余項，在《設計》期刊上連續發表了多幅眼鏡設計作品。

3D打印技術用于眼鏡設計工作室教學中，因為可以將眼鏡設計打印成實體，用于驗證、完善、修改設計，逐漸提高學生的深入設計的能力，設計能力得到很好的鍛煉，極大地激發了學生的學習熱情，設計的優秀作品數量較以往成倍數增加，又促使企業主動與校方加強校企合作，簽訂了橫向課題協議，學生獲得了企業真實項目的鍛煉機會，得到了企業工程師的主動指導，設計的大量優秀眼鏡設計作品一方面被企業采用獲得了經濟獎勵，激發了他們學習的積極性，另一方面參與比賽獲獎，增強了自信心，教師再帶領學生申請專利，發表作品等方式，讓學生收獲更多成果，使學生主動學習的熱情及積極向上的學習心態不斷提升。

將3D打印技術運用于眼鏡設計工作室教學，有較成熟的配套3D打印設備支持。目前藝術設計學院有工業級3D打印機及桌面級FDM機：3D金屬粉末激光燒結設備（MYSINT100）、3D樹脂光固化SLS600，桌面級Form2光固化打印機，FDM桌面級3D打印機（更新三次）近十臺，另外還有配套的3D打印制品后期處理設備。

一、相關研究簡述

3D打印（3D printing）是一種快速成型技術，其特點是首先建立物體三維模型，應用粉末狀金屬或聚乳酸等可黏合材料，每次打印一層材料，層層打印，最終打印出實際的3D模型。3D打印技術目前在高等院校的基礎教學中已逐漸進行實踐和推廣該教學模式不僅打破了傳統教育的線性結構，激發學生學習的興趣和創造力，而且突出了^機交流的交互性，學生還可以自己設計、自己打印作品，以工作坊的形式體驗從設計到產品轉化的過程。

3D打印在國內外的教育領域得到重視和推廣。新西蘭的一項新課程標準實現了給基礎教育的學生每4人配備1臺3D打印機，以便于他們打印自己設計的象棋子。在美國，3D打印引入到教育領域還起到了推動STEM（Science，Technology，Engineering and Mathe-matics）的作用。如學生可通過CAD軟件自行設計火箭的機翼，進行3D打印，并在室外進行測試。麻省理工學院的比特與原子中心讓學生應用3D打印機探索原子與比特的轉化。

在我國，清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、西安交通大學、西北工業大學等著名高校都已開展3D打印研發，部分研究成果已處于世界先進水平，在航空航天、機械制造、產品研發、生物科學等方面取得了顯著成效。

浙江工業大學除了3D打印機應用于學術研究外，也面向產業需求提供共享服務，即將企業設計的三維數據用3D打印機打印出立體實物，再交給企業，

二、研究主體

（一）3D打印技術運用于眼鏡設計工作室教學的必要性

1.3D打印技術的介入，使學生創意能力及深入設計能力得到鍛煉和提升。

以往的眼鏡設計工作室教學，學生在電腦上完成創意設計后，在企業兼職教師和學校專任教師的共同指導下，畫出生產CAD圖，再評審出可以制作樣板的眼鏡設計方案，然后由企業兼職教師帶領學生利用工作室現有的眼鏡生產線設備做成眼鏡樣品。

眼鏡工作室目前有兩條生產線，金屬架生產線和塑膠架生產線，這兩條生產線尚未有工程師完全精通，更何況是剛入門的學生，所以學生的設計往往只能依賴企業兼職教師們制作眼鏡樣品，由于工作室學生多，設計方案多，課時有限，同時企業兼職教師們精力有限，導致學生的很多設計創意在制作眼鏡樣品階段流失或停留在創意階段，甚至制作出來的眼鏡制品與設計創意相差太遠等。

3D打印技術的引入，使學生有機會獨立或協同完成從設計到建模再到生產眼鏡的完整創造過程，通過3D打印的眼鏡模型，反復推敲和修改眼鏡設計方案，最終使深入設計能力得到了鍛煉。

2.3D打印技術的介入，增強學生對設計的嚴謹性，培養工匠精神：

以往學生做設計，基本沒有尺寸概念，因為在軟件中建的模型可以無限放大與縮小，一毫米的模型與一米的模型都可以在屏幕上滿屏顯示，故模型的大小很難有直觀感受，學生通過3D打印機，把設計方案直接打印出來后，往往會驚訝于打印制品跟設計創意的尺寸差距，而縮小打印后，又把握不了模型最小部件的尺寸，造成模型某個部分小于打印機能打印的尺寸，導致打印失敗。3D打印的眼鏡模型可以有效地檢驗尺寸數據合理性，而后進行方案修改。形成設計、打印、修改、再打印的過程，直到最后方案確定。在不斷地出現問題解決問題的修改過程中，逐步提升了學生做設計的嚴謹性。

該設計是將中國“回紋”元素融入眼鏡設計中的，圖1是學生設計的眼鏡效果圖，因為對眼鏡尺寸及實際使用人機工學缺乏實戰經驗，單純從設計的形式美學法則出發而設計的眼鏡，此方案被公司選中，為了完成生產圖的準確繪制，對該款眼鏡進行打印后，發現了尺寸和結構方面存在不少問題，經過反復修改，得到了圖2相對準確的尺寸數據，通過圖2的CAD生產圖與圖1的效果圖對比，可以發現造型改變很大，內外鏡圈連接點增加了，提高了眼鏡內外圈連接的牢固度，另外內圈也加大了，擴大了眼鏡的可視范圍。

3.3D打印技術運用于眼鏡設計教學中豐富了教學內容，革新了教學手段

引入3D打印這一新技術，并不是要取代原有的模型制作方式，而是將創新度高的，現有設備無法生產的方案，用3D打印的方式，打印出模型。豐富了教學內容，同時讓學生學習到新知識和新技術，更鍛煉了學生的創新力。

另外，通過3D打印技術，教師可以打印出各種教具，讓學生可以真正“觸”碰到，真實體驗并理解課程內容。比如講述結構方面的知識，結構連接是活動的裝置，以往常常是教師用語言描述，或者是通過靜態的圖片展示給學生看，需要學生基于自身經驗去理解，有了實物模型后，學生可以真正觸碰到，感受到，從而將復雜抽象的教學內容變得具體而形象。

4.3D打印技術的介入，加強了校企合作的深度

3D打印技術可以將眼鏡模型打印出來，企業可以根據實物模型來評審設計方案，比效果圖更有說服力，也更利于溝通交流，修改完善設計方案，提升產品創新力，企業依據最終方案開模進行批量生產，節省了多次開模試制的巨額費用，減少了失敗概率，降低了產品研發資金投入，節約了成本。縮短了研發周期。

（二）3D打印技術運用于眼鏡設計教學實施：

1.3D打印技術運用于眼鏡設計課程整體設計

根據《現代職業教育體系規劃建設》文件，高職課程教學要將新材料、新技術及時帶入課堂的精神要求。將3D打印技術帶入眼鏡設計工作室教學中，帶領學生學會3D打印眼鏡設計方法、3D打印眼鏡設計手繪技巧，3D打印眼鏡設計電腦表現技巧等技能，以企業真實項目、參賽、獲專利、發表作品為導向，將整個教學內容分成兩個階段，帶領學生循序漸進地學習：

第一階段1-3周為基礎階段，這階段主要學習眼鏡的基礎知識和3D打印的基礎知識，主要任務有：1）臨摹企業的優秀手繪眼鏡草圖，學會眼鏡設計草圖的標準畫法，及各種材質的表達方式;2）建模現有眼鏡模型，讓學生通過建模深入觀察體會并把握眼鏡的細節，比如鏡圈圈型，鏡圈的彎度，鏡腿與鏡圈的角度，及鏡腿的角度等等;3）臨摹CAD眼鏡工程圖，基本掌握工程圖的表達方式及畫法;4）將建模的眼鏡打印出來，通過打印眼鏡來學習3D打印的基礎知識，最終佩戴打印的眼鏡模型以驗證建模尺寸的準確性。

第二階段4-7周為項目設計階段，通過前三周緊張的學習及完成的各項任務，迅速進入設計狀態，此階段，以企業項目驅動，帶領學生分析解構客戶需求，按照需求設計眼鏡，并分為兩個方向，第一結合中國傳統元素的設計，第二結合幾何圖形運用的設計，教師評審后建模、渲染，并將設計的眼鏡圖通過ps戴在模特臉上，以此提交給企業評審，通過后繪制CAD生產工藝圖，而后根據CAD圖尺寸，重建三維模型，再通過3D打印出模型，以此檢驗CAD尺寸工藝圖的準確性，再修改。

2.課程教學重點與難點

重點：眼鏡的材料與工藝、眼鏡的結構、3D打印眼鏡的設計與制作等。

難點：眼鏡的手繪表現、眼鏡電腦表現、3D打印眼鏡的設計與制作等。

3.課程教學方法與教學手段

（1）采取教師在課堂上進行理論講授和對學生設計方案的輔導點講，學生積極參與討論和實際操作的教學方法為主。課堂教學結合圖書館、互聯網等自主學習的輔助手段，做到精講多練，邊講邊練，講練結合。

（2）公司化模式運作項目工作坊教學。構建職業化的學習情境，以設計小組長負責設計小組的管理與運作，調動學生學習的積極性與主動性。

（3）與企業項目相結合，把公司的真實項目引入課堂教學。

（4）重視對學生職業道德的培養，加強學生的服務意識，環保意識，時間管理，培養學生的團隊意識與協作精神。

4.3D打印技術運用于眼鏡設計課程的具體實施

本次眼鏡設計工作室教學課程是與深圳榮威眼鏡光學有限公司合作的，要求眼鏡設計方案時尚，提供了相關的參考圖。通過溝通，清晰了解了客戶需求，并展開了設計。

隨著企業項目的介入，創意眼鏡設計越來越多，學生會逐步體驗到3D打印的各種問題限制，如打印機尺寸限制，壁厚限制，結構間的縫隙、切片設置，擺放方式形成的支撐效果等，將這些知識變成經驗，用于眼鏡設計創意中，展開設計。

草圖繪制階段

3D打印技術因為可以實現復雜曲面眼鏡產品的打印成型，對造型能力的要求非常高，在3D打印技術下，學生曾經被認為的天馬行空想法都顯得捉襟見肘，高職學生的三維空間想象能力、表達能力較欠缺，在面對產品造型設計時，表現在草圖上往往是二維的正面圖像，轉化成三維產品的能力欠缺，常常是通過擠壓出一個厚度來讓二維圖變成三維產品，無法在腦海里構建一個立體的三維產品，更別說完善細節讓設計更完美。3D打印的介入后，著力引導提升造型能力的培養，通過打印出來驗證及不斷修改，直至完善造型。

草圖繪制是創意展現的第一步，3D打印技術對造型的高要求，促使教學內容革新，筆者在草圖繪制階段將立體構成的相關知識融入進教學中，培養學生的空間想象能力，讓學生通過畫立構元素或眼鏡產品的六視圖，及通過六視圖繪制立構元素或眼鏡產品的透視圖等方式，加強空間想象能力的訓練。

建模階段

以往的建模，不需要考慮產品模型的尺寸和厚度，甚至不需要考慮產品曲面是否是密封實體，是否曲面有破面等，只需要建個外殼后渲染即可，學生通過以往的軟件課學習及設計課程的鍛煉，也已養成根深蒂固的建模思想，如果3D打印下的建模不嚴謹，會導致打印失敗。

3D打印技術的融入，改變了學生以往隨意建模的不嚴謹習慣，開始會關注每一個曲面的完整及密封，也意識到眼鏡尺寸概念應該是從始至終貫穿整個建模階段的。建模的同時學習3D打印基礎知識，通過簡單Rhino模型及3D打印基礎切片軟件學習，打印學生自認為最滿意的作品，當紙上的圖通過實物呈現時，可以檢測模型的大小尺寸及壁厚效果，以評估與期待值的差距。

3D打印眼鏡

3D打印階段將學習3D打印的相關理論基礎知識，了解市場的3D打印技術及相關的成型原理，同時學習切片軟件的基礎運用，基本滿足將簡單的眼鏡模型打印出來的需求。

CAD生產圖繪制

企業的工程師就根據設計師畫的CAD生產圖來制作眼鏡各部分零件，也以此圖來檢驗零件是否合格，這決定著眼鏡的最終效果。以往的CAD生產圖繪制，常常是用剪下的紙片去驗證尺寸的準確性，由于紙殼特有的屬性，存在著一定的誤差。

受3D打印材料影響，還不能打印能直接銷售的眼鏡，3D打印適合小批量生產，定制化服務，而眼鏡設計公司需要大批量生產，勢必要用到眼鏡生產設備，這就需要繪制嚴謹的生產工程圖，這個階段的難點就是眼鏡尺寸的把握，3D打印的介入，一改以往用紙板切割眼鏡造型的方式，將眼鏡打印出來，直接佩戴在臉上，以此為依據再深入設計方案的修改，大大提升了設計方案的優化度。

3D打印技術的介入，將眼鏡模型打印出來再佩戴在臉上，可以很直觀地感受眼鏡設計的合理性，檢驗CAD生產圖的準確性，也為檢驗眼鏡零件生產是否合格新增了參考標準。

（5）打印成品用于批量生產中的交流與制作。

以往都是提供效果圖給客戶選方案，因為效果圖表現的局限性，往往好的方案最后因為現有生產設備而流產，3D打印技術的介入，將效果圖打印成成品，客戶將模型拿在手上討論生產方法，提升了設計方案的轉化力。

總結

本次眼鏡設計工作室教學課程與深圳榮威眼鏡光學科技有限公司合作，以橫向課題的方式建立項目合作，最終該公司選取了十一款時尚眼鏡設計并做出樣品，并批量生產。以參賽的形式促進學生創意設計，在2017年教育部職業院校藝術設計類專業教學指導委員會舉辦的全國職業院校藝術設計類作品“廣交會”同步交易展作品大賽中獲產品設計作品類二等獎;2018廣州工藝美術大學生作品展暨第五屆“工美菁英獎”獲銅獎，2018中國（深圳）國際時尚眼鏡設計師大賽中，有6件作品獲獎，包攬學生組一半以上獎項，在頒獎典禮上與橫崗時尚眼鏡協會簽訂戰略合作協議;以獲專利形式促進學生創意的積極性，學生設計的時尚眼鏡款，已申請外觀專利13項。

另外，完成了創意眼鏡設計作品集，準備印刷！到目前為止已在《藝海》《設計》期刊上發表眼鏡設計作品7件，還有大量眼鏡設計作品待發表。

本次課程的實施過程中，也存在著一定的不足，目前工作室FDM機不夠精細，在打印眼鏡時拆支撐時容易損壞打印制品，將從兩方面解決，1.購買水溶性3D打印設備（現階段已完成招標，進入購買流程）;2.與校企合作的另一家企業簽訂新贈機協議，提供更加精細度更高的FDM 3D打印機。