3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

周希瑩 宋衛(wèi) 李邵銀

摘 要：隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)也在逐漸走向成熟。對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、醫(yī)療、航空航天等專業(yè)而言，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以更小的代價(jià)去完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論證。很多高校陸續(xù)引進(jìn)3D打印機(jī)，建設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用于多個(gè)專業(yè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本文以服務(wù)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的3D打印實(shí)驗(yàn)室為例，探究了其專業(yè)教學(xué)的方向，分析了其對(duì)產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)換的幫助，研究了提高學(xué)生對(duì)3D打印理解和應(yīng)用的方法，借此達(dá)到通過新的技術(shù)提升學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力。

關(guān)鍵詞：3D打印;工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.3D打印背景介紹

3D打印這個(gè)詞，現(xiàn)在并不陌生，小到一顆牙齒，大到一棟房子都可以用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于其具有成型速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中普及的發(fā)展。從國(guó)外到國(guó)內(nèi)的高校，都陸續(xù)開設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)3D打印機(jī)或者3D打印產(chǎn)品，幫助學(xué)生了解3D打印，結(jié)合自身專業(yè)開展應(yīng)用，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

1.1 3D打印原理

3D打印的工作原理是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維造型的建模，再通過適配的3D打印材料，由點(diǎn)到線，線到面，面到體的方式，層層疊加融合的過程，最終形成一個(gè)立體的產(chǎn)品。和傳統(tǒng)加工工藝相比較，可以省略開模等復(fù)雜的流程，縮短模型生成時(shí)間。

目前，3D打印的方式主要分為以下三類：（1）熔融沉積快速成型（FDM），是目前工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的打印使用方式，主要使用材料有ABS和PLA。成型方式為材料在噴頭里加熱后沿著指定軌跡運(yùn)動(dòng)，層層堆積，噴出的材料迅速固化后形成體。（2）光固化成型（SLA），是最早出現(xiàn)的快速成型工藝，主要材料為光敏樹脂。成型方式為樹脂型液態(tài)材料通過光聚合，從液態(tài)形成固態(tài)。由于此方法研究時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)最為成熟，成型的產(chǎn)品精度也更高。（3）三維粉末粘接（3DP），以陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等為主要材料，可以直接3D打印出精美的陶瓷產(chǎn)品。

1.2 3D打印工作流程

（1）建模

現(xiàn)有的建模方式有多種，包括通過互聯(lián)網(wǎng)直接下載、使用3D掃描儀逆向工程建模、使用3D建模軟件繪制建模。其中，使用3D建模軟件繪制建模為工業(yè)設(shè)計(jì)的常用方法，主要的使用3D建模軟件有犀牛、PRO/E、solidworks、3ds MAX、UG等。工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生將設(shè)計(jì)構(gòu)想轉(zhuǎn)化為虛擬三維模型后，可進(jìn)行優(yōu)化完善，并發(fā)送至打印。

（2）分層打印

目前大部分高校工業(yè)設(shè)計(jì)采用的都是基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)。分層是指將已經(jīng)建好的模型，上傳到3D切片軟件里，通過輸入STL、obj等格式的文件，生成3D打印機(jī)所需要的加工文件。在切片軟件中，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行切片計(jì)算，也可以調(diào)節(jié)參數(shù)來改變模型內(nèi)部的支撐密度，達(dá)到設(shè)計(jì)用戶想要的效果。

在打印過程當(dāng)中，3D打印機(jī)將固態(tài)的材料如ABS絲等通過送絲機(jī)送入加熱腔體，材料成為熔融狀態(tài)后經(jīng)過噴嘴擠出，沿著指定軌跡逐層打印，薄薄的絲經(jīng)過層層堆積，最終形成一個(gè)完整的形態(tài)。在打印復(fù)雜的曲面等模型時(shí)，還需要打印一些支撐材料，否則打印過程中會(huì)有形變，影響整個(gè)打印結(jié)果。

（3）后期處理

對(duì)于常見的熔融堆積型3D打印產(chǎn)品，一般都需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的后期處理。首先要去除多余的支撐材料，對(duì)細(xì)節(jié)以及毛邊進(jìn)行打磨。對(duì)表面不太光滑的部分，可以用拋光的手段去處理。目前采用較多的方式為砂紙人工打磨，這也是最簡(jiǎn)單快速的拋光方式;還可以采用3D打印拋光機(jī)，該方法在拋光過程不產(chǎn)生廢料，對(duì)表面的精度影響不大。在拋光完成后，最后進(jìn)行噴漆等上色處理。

2.3D打印實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際教學(xué)應(yīng)用

為滿足日益復(fù)雜的工業(yè)設(shè)計(jì)需要，3D打印已成為驗(yàn)證設(shè)計(jì)成效的一種必要手段。目前可依托3D打印實(shí)驗(yàn)室，通過理論知識(shí)和實(shí)際操作的教學(xué)方式，幫助學(xué)生快速掌握3D打印的全過程。

為保障3D打印教學(xué)工作的有序開展，需要教師做好3D打印知識(shí)教學(xué)的準(zhǔn)備工作，以生動(dòng)的案例激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，以實(shí)操的打印過程提高學(xué)生的動(dòng)手能力。做到以教學(xué)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證教學(xué)，逐步推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

2.1與教學(xué)融合，快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)想法

建立3D打印工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步加強(qiáng)了工業(yè)設(shè)計(jì)和技術(shù)優(yōu)化的融合。同時(shí)3D打印應(yīng)用非常廣泛，在產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)、產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等教學(xué)課程中都可以開展3D打印應(yīng)用拓展。在各類教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生可以通過建立三維數(shù)字模型，再使用3D打印機(jī)快速成型，縮短產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，打印出來的模型既可以檢驗(yàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，又可以檢查設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，教學(xué)成果也一目了然。為保證學(xué)生快速掌握3D打印實(shí)踐能力，可以通過小組練習(xí)、作業(yè)、競(jìng)賽等方式進(jìn)行檢驗(yàn)，也能創(chuàng)建比學(xué)趕超的學(xué)習(xí)氛圍。

同時(shí)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)而言，各大高校都要求學(xué)生將產(chǎn)品用模型的方式進(jìn)行展示，3D打印正好能滿足這一要求。其可以適應(yīng)學(xué)生的多樣化需求，快速生成各位復(fù)雜模型，能夠完整的將學(xué)生的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行展示。

2.2助力產(chǎn)學(xué)研的轉(zhuǎn)換能力

3D打印技術(shù)目前仍處于逐步上升的階段，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景廣闊，非常適合高校和企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。為消除企業(yè)和高校人才培養(yǎng)的差異性，確保學(xué)生滿足未來工作崗位需要。建立3D打印工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，提高學(xué)生對(duì)生產(chǎn)加工的認(rèn)識(shí)，是現(xiàn)階段工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)的一大亮點(diǎn)。

3.總結(jié)

在3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室要將專業(yè)教學(xué)與3D打印結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合，推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過3D打印技術(shù)教學(xué)，將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，更能幫助學(xué)生更快適應(yīng)不同崗位需要。為保證教學(xué)質(zhì)量和應(yīng)用型人才培養(yǎng)，教師還需要隨時(shí)學(xué)習(xí)新的技術(shù)知識(shí)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)結(jié)構(gòu)和教學(xué)對(duì)策。

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作者簡(jiǎn)介：

第一作者周希瑩（1992），女，漢族，籍貫新疆，職稱助教，碩士學(xué)位，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)，服務(wù)設(shè)計(jì)。

（成都工業(yè)學(xué)院 ?610000）