3D打印教學方法探討

劉德友

【摘 要】3d打印技術是一種什么樣的技術，簡單來說它是一種逐層打印的技術。本文從三個方面來闡述3d打印如何實現教學，實驗過程，軟件應用等相關內容，相信學好這門技術對于學生來說，不管是在今后的學習中還是將來的工作中都會起到舉足輕重的作用的。

【關鍵詞】正向教學設計;逆向工程;測量;檢測

3d打印技術是什么？簡單來說3d打印技術是一種能將電腦中的3維數據模型打印成實體的一種技術，按3維數據進行逐層打印，就像蓋房子一樣，磚塊是一層一層的，但累積起來后，就成一個立體的房子了。

如今人們用3d打印的方法來制造模型模具、汽車、醫療器械，牙齒骨骼等。3d打印的優點就是它可以極大地縮短產品的生產周期，從而提高生產率和降低生產成本，因為它不需要任何的模型，3d打印能夠打印出一些特殊的形狀而不需要任何的模具。

關于3d打印如何實現教學？我們用3d打印機將設計好的3d電子模型打印成實體。將一個3d模型打印成型的時間還是很長的，需要若干小時。所以打印實體的時間我們應該盡量放在課下時間去完成，由于學習3d打印的課時也是十分有限的，如何在短暫的學習時間里學好3d打印這門課程就變成了一個需要探討的問題。

我認為3d打印主要從以下3個方面進行教學設計。

一、正向教學設計

要想做出一個3d打印的實體，設計軟件是必不可少的，也是必須要學習的內容之一。通過3維設計軟件我們可以將頭腦中的構思轉化成電腦中的3維數據信息，再通過正向設計軟件將電腦中的3維數據信息進行一個加工和處理，成型后我們就可以將數導出到3d打印機中進行打印了。由于打印過程是比較長的過程，所以上課就不作為重點來講述，我們利用上課的寶貴時間來進行3維正向軟件設計的教學。例如我們可以學習3ds設計軟件freeform，了解其功能和使用方法。FreeForm是能夠在電腦上對數據模型進行設計和構建的一種軟件，設計人員可以按自己的想法設計三維造型，同時結合電腦CAD的功能就能做出自己想要的模型。FreeForm的功能是十分強大的。它是正向教學設計里一個必不可少的學習內容。

二、逆向教學設計

逆向教學設計是我們重點要討論的一項內容。

什么是逆向工程技術？

從總體概念上講，產品設計過程是這樣一個過程：設計者首先構思產品的形狀和一般技術參數，然后利用CAD技術建立產品的數字模型，例如用FreeForm設計完成之后再將模型傳遞給制造商。這樣的產品設計過程我們可以稱為正向設計。而逆向工程是指在沒有設計圖或不完整的設計圖的情況下，基于對現有產品模型的測量和數據處理，重新設計產品的三維CAD模型的過程。例如，我們只有一個產品樣品還沒有其cad數據，我們要對這個樣品進行批量生產，那么我們就可以通過逆向工程技術來實現。逆向工程需要通過數字化測量設備如光學測量設備等獲取的物體表面的空間數據。例如我們會用到高精度三維掃描儀。高精度三維掃描儀可以生成高密度的點云數據，使工件表面的細微部分得到清晰的表達，測量的精度十分高。三維掃描儀可以輕松地獲取曲面信息，可以在極少的時間內獲得高精度的三維數據，效率很高。

逆向工程分為兩個階段：第一步，對物體或組件進行快速而精準的三維掃描。第二步，通過逆向工程軟件將得到的數字化圖像轉化為適用于不同項目的三維表面模型（CAD 數據集）。這里面就又涉及到了一個我們需要學習的軟件：逆向工程軟件。逆向工程軟件有很多，這里我們主要學習是軟件是wrap和design X兩個軟件。學習軟件的功能和主要作用。通過對軟件的學習，學生能夠更加熟悉和了解逆向工程的原理，為接下來的學習打下了一定的基礎。

我們通過三維掃描對樣件進行掃描，整個掃描過程十分迅速且無接觸，因此，它甚至適用于任何大小的易碎或易變形物體。不論物體的復雜性、邊緣及切割如何變化，系統都能以高精確度與高分辨率呈現物體的所有細節。此外，以掃描數據為基礎的CAD數據集可直接與原始掃描數據相比較。這種方式保證了在逆向工程過程中，沒有任何細節被遺漏或忽略。

高職院校逆向工程的教學可以培養學生的獨立工作能力和創新思維的發展。逆向工程實驗采用開放式教學模式，根據教學要求、專業特點等因素，學生選擇合適的實驗項目，確定合適的實驗時間預定實驗。將實驗項目分為三個階段：一階段，二階段，三階段。

一階段的實驗項目可以通過將公差協調與技術測量或機械精度設計與試驗基礎、機械工程測試技術相結合來制定。二階段，三階段是在一階段的基礎上進行一個拔高的過程，要針對不同學生的情況來進行項目實驗的開展。

在實驗中，教師應注重學生實踐能力的培養，提高學生的綜合素質。根據學生的個體需要和學生能力形成的不同階段，進行實驗教學，以鼓勵學生善于思考，培養學生綜合運用理論知識指導實踐和科研的能力。

三、通過3d掃描進行實體測量及檢測

學生通過3d掃描進行實體測量可以加深對理論課程的相關內容的理解，如機械精度設計和測試基礎中的公差和協調，并且掌握特定工件形狀和位置的測量方法和評價方法。

首先，利用三維掃描儀對現有的物理模型進行精確、高速的掃描，獲取三維輪廓數據，其次，利用反求軟件進行曲面重構，并在線分析重建曲面的精度。對施工效果進行評價，生成IGES或STL數據。STL數據表面故障處理后，實體直接快速成型機器生產。利用三維掃描儀或者拍照式測量系統得到的數據配合質量檢測軟件，可快速的對機械零件進行質量檢測。

在這里面我們需要用到的質量檢測軟件有gom軟件。這是一款非常優秀的質量檢測軟件，通過它我們可以實現產品的質量檢測，產品的測量，并且效率十分的高。不僅能測量任何的常規尺寸，還可以測量任意位置的公差值，偏離值通過七種色彩表現出來，非常直觀。

在實驗中，學生可以設計自己的掃描方案，研究復雜曲面的路徑優化問題，并在CAD軟件中利用自己的想象力從表面模型到實體模型進行創新設計。對實體數據的3d測量能夠培養學生分析和解決實際問題的能力，培養他們的自主思維和積極的創新精神。

通過3d掃描進行實體測量及檢測過程是一個多學科的協同過程。通過實驗，學生可以拓寬知識，了解其應用領域，如飛機、汽車、玩具和家用電器等相關領域的模具，以及醫學領域如人工生物骨等。提高幾何測量、數學、計算機視覺、圖形處理、數字制造等多學科應用能力，為今后的技術工作打下堅實的基礎。

總結，以上就是我對3D打印教學以及與其教學相關的三個方面的一些思考。3d打印技術是一個很有發展前景的技術，相信學好這門技術對于學生來說，不管是在今后的學習中還是將來的工作中都會起到舉足輕重的作用的。作為技工院校，我們應該緊跟時代發展的步伐，努力提高學生的實踐能力。為學生提供更廣闊的思維空間。

【參考文獻】

[1]戴侃.3D設計軟件導學教程的設計研究[D].華中科技大學，2011.

[2]向國玲.淺談逆向工程技術[J].《模具工程》，2011.