基于數(shù)字化建模的3D打印實踐教學(xué)

徐 巍，李翠超，凌 芳

（上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，上海 200240）

0 引言

隨著“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”以及“創(chuàng)客教育”的全面實施，加強實踐教學(xué)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型人才具有重要的戰(zhàn)略意義。創(chuàng)新設(shè)計和3D打印是“創(chuàng)客教育”的重要組成部分，是實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

數(shù)字化建模一般可以通過直接創(chuàng)意正向設(shè)計或逆向數(shù)據(jù)采集反求建模來完成。采用正向設(shè)計建模的方法，技術(shù)人員根據(jù)客戶要求或市場需求直接進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思設(shè)計，并進(jìn)行三維建模，產(chǎn)生數(shù)字化模型，并通過不斷地修改來優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到客戶和市場的要求。而采用逆向建模的方法，技術(shù)人員在無紙化或圖紙不全的情況下，直接對現(xiàn)有模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，反求得到數(shù)字化信息，再將創(chuàng)新元素添加進(jìn)去，提高了創(chuàng)新的效率，加快產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本［1-2］。所以，正向三維建模和逆向反求建模這兩者都是先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的重要手段。

隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭愈加激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代市場競爭的需要，3D打印技術(shù)就是在這樣的背景下出現(xiàn)并迅速發(fā)展的。3D 打印技術(shù)是在計算機控制與管理下，根據(jù)數(shù)字化模型直接驅(qū)動，快速打印出實物模型，并可以使用這些原型件組裝出產(chǎn)品模型。它徹底改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的加工方式，不需要專用的工具和刀具就可以在極短的時間內(nèi)制作出復(fù)雜的產(chǎn)品模型，幫助企業(yè)迅速占領(lǐng)市場，充分突出了該技術(shù)的高柔性和快速性，被稱為“第三次工業(yè)革命”［3-5］。

1 3D打印實踐教學(xué)目標(biāo)

隨著計算機和3D 打印技術(shù)的迅速發(fā)展，各高校都逐步開展了CAD和3D打印的實踐教學(xué)，我校學(xué)生創(chuàng)新中心相繼購買了三坐標(biāo)測量儀、激光掃描儀和3D打印機等專業(yè)設(shè)備。通過“數(shù)字化建模”和“3D打印”相結(jié)合的實踐教學(xué)，針對不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生，采用不同模塊組合的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，學(xué)生可以掌握正向三維建模、逆向反求建模和3D 打印技術(shù)的理論知識，能夠熟練使用三維建模軟件、掃描設(shè)備和逆向工程軟件進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化建模，并能熟練操作3D打印設(shè)備進(jìn)行模型的快速打印制作，讓學(xué)生對先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)有更全面的了解，提高學(xué)生的認(rèn)知能力、溝通能力、設(shè)計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力［6］。

2 3D打印實踐教學(xué)實施

3D打印技術(shù)實踐教學(xué)的對象是學(xué)校的本科生，覆蓋了機類、近機類、非機類的學(xué)生。為了達(dá)到實踐教學(xué)目標(biāo)，采用了“做中學(xué)，學(xué)中做”的教學(xué)模式，堅持理論實踐并重的教學(xué)原則，理論知識點貫穿于實踐教學(xué)的整個環(huán)節(jié)，跟蹤技術(shù)發(fā)展前沿，堅持“對象化學(xué)習(xí)”和“個性化教學(xué)服務(wù)”的原則，針對不同專業(yè)學(xué)科的要求，分別采用正向設(shè)計＋3D打印、逆向反求＋3D打印的課程體系，講解三維建模軟件的使用、掃描技術(shù)的原理、掃描設(shè)備的使用方法、逆向工程軟件的使用、3D打印技術(shù)的基本原理和典型工藝以及設(shè)備操作。通過理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠運用三維設(shè)計軟件進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思設(shè)計，能夠操作彩色掃描儀進(jìn)行實物數(shù)據(jù)采集，使用Geomagic Studio 逆向軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和重建，操作3D 打印機進(jìn)行數(shù)字化模型的快速打印［7-8］。

2.1 三維建模實踐教學(xué)模塊

在整個教學(xué)過程中教師采用多媒體課件講解三維設(shè)計軟件（PRO／E、UG、CATIA、SOLIDWORKS）的使用技巧、產(chǎn)品設(shè)計的要求以及創(chuàng)新思維的方法，讓學(xué)生能夠熟練運用設(shè)計軟件將自己的創(chuàng)意用數(shù)字化模型表達(dá)出來。學(xué)生可以以個人或團隊形式來完成創(chuàng)意設(shè)計和模型的虛擬裝配。在整個教學(xué)過程中，不是以老師為中心，而是要發(fā)揮學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)造性，學(xué)生帶著任務(wù)和問題來進(jìn)行實踐學(xué)習(xí)，各個專業(yè)的學(xué)生發(fā)揮各自的特點參與創(chuàng)意，同學(xué)之間相互討論、取長補短，實踐過程更有目的性和趣味性，避免傳統(tǒng)設(shè)計類實踐教學(xué)的任務(wù)單一、枯燥的弊端。圖1 所示為學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計作品。

圖1 學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計

2.2 逆向建模實踐教學(xué)模塊

逆向建模主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的數(shù)字化重建。教師采用多媒體課件、現(xiàn)場演示和實際操作等教學(xué)手段，以smartscan—2.0M 彩色掃描儀和EinScan-Pro手持掃描儀為操作對象（見圖2），講解掃描技術(shù)的基本原理和操作技巧以及Geomagic Studio軟件的使用技巧。圖3 所示為模型的數(shù)據(jù)采集與處理。學(xué)生以分組協(xié)作形式對現(xiàn)有模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，先給原始模型貼標(biāo)記點進(jìn)行空間定位，再使用smartscan掃描儀準(zhǔn)確捕捉模型的點云數(shù)據(jù)，再利用軟件對數(shù)字化模型進(jìn)行去噪點、表面光順、優(yōu)化數(shù)據(jù)、清楚網(wǎng)格、添加創(chuàng)意，完成數(shù)字化模型的修補、優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計。學(xué)生針對各自專業(yè)，挑選合適的模型，并在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上加入各自的創(chuàng)意，提高了創(chuàng)意設(shè)計的效率和合理性［10-12］。

圖2 兩種掃描儀外形圖

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3 3D打印實踐教學(xué)模塊

圖4 3D打印設(shè)備

圖5 FDM原理

3D打印實踐教學(xué)主要是以珠海天威的X3045 和閃鑄的GUIDER 兩款設(shè)備（見圖4）為操作對象，通過現(xiàn)場演示和實際操作等教學(xué)手段來講解FDM 技術(shù)的原理（見圖5）、特點，兩種設(shè)備的結(jié)構(gòu)，配套軟件Print-Rite和FlashPrint的使用技巧。學(xué)生應(yīng)能熟練操作3D打印設(shè)備對三維建模或逆向建模得到的數(shù)字化模型進(jìn)行“導(dǎo)入模型文件—處理模型數(shù)據(jù)—打印參數(shù)設(shè)置—3D打印—后處理”的整個過程，讓學(xué)生親身體驗從設(shè)計到快速制造的完整過程。將創(chuàng)新設(shè)計與3D 打印結(jié)合起來，可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，并能實現(xiàn)按需訂制，滿足個性化產(chǎn)品制造的需求［9］。圖6 所示為學(xué)生3D打印作品。

圖6 學(xué)生3D打印作品

3 教學(xué)效果

近年來，不光中心將3D打印納入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)校各院系開設(shè)的工程學(xué)導(dǎo)論、設(shè)計與制造Ⅱ、工程實踐等通識核心課都將3D 打印作為教學(xué)的一個內(nèi)容。基于數(shù)字化建模的3D打印實踐教學(xué)不僅適用于中心的實踐課程，還協(xié)助院系老師完成核心課程教學(xué)。不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生可以通過不同的模塊組合來完成實踐教學(xué)，讓學(xué)生接觸到了三維建模、逆向建模等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和3D 打印的先進(jìn)制造技術(shù)，學(xué)生在實踐學(xué)習(xí)的過程中對產(chǎn)品的設(shè)計與制造過程有了更全面的認(rèn)識，掌握了從“創(chuàng)意構(gòu)思—數(shù)字化設(shè)計—3D 打印—優(yōu)化—產(chǎn)品成形”的完整過程，從而拓寬了視野，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高實踐學(xué)習(xí)的熱情和興趣，對學(xué)生今后的科創(chuàng)實踐活動打下扎實的基礎(chǔ)［13］。

4 結(jié)語

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要平臺，通過開展基于數(shù)字化建模的3D 打印的實踐教學(xué)，將單一的實踐教學(xué)項目和分散的實習(xí)模塊串聯(lián)起來，將虛擬的數(shù)字化建模應(yīng)用于實際的3D 打印，體現(xiàn)出該實踐教學(xué)項目的連貫性和高度交叉性，避免傳統(tǒng)的單一實驗?zāi)Ｊ綄虒W(xué)資源的浪費［14］，學(xué)生在項目實習(xí)過程中更有目的性，加強了學(xué)習(xí)的主動性，充分體現(xiàn)了學(xué)生在實習(xí)過程中的主體地位和教師的啟發(fā)式引導(dǎo)作用。基于數(shù)字化建模的3D 打印的實踐教學(xué)研究，符合學(xué)生創(chuàng)新中心的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學(xué)改革思路，促進(jìn)實踐教學(xué)改革的深入發(fā)展，實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，加強學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程綜合素質(zhì)與工程實踐能力，更符合企業(yè)對工程創(chuàng)新人才的要求［15-16］。