3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)探究

李小梅

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)踐教學(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3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(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

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。

一、3D打印技術(shù)

（一）3D打印技術(shù)概述。3D打印技術(shù)指的是一種能夠通過(guò)特定的材料按照數(shù)字模型進(jìn)行逐層打印，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維實(shí)物的構(gòu)造的技術(shù)。這種打印技術(shù)是通過(guò)數(shù)字技術(shù)完成的，主要是在工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造、汽車(chē)工業(yè)、建筑工程、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域中得到非常廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了脊髓骨架的3D制作，中國(guó)也在2020年完成了太空3D打印實(shí)驗(yàn)工作［1］。

（二）3D打印技術(shù)原理。普通的打印設(shè)備是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)屏幕物品的設(shè)計(jì)，并利用打印機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的印刷工作［2］。傳統(tǒng)的2D打印技術(shù)使用的相關(guān)材料是墨水和紙張，而3D打印技術(shù)使用的材料是具有實(shí)際性的材料，如金屬、塑料、陶瓷等相關(guān)材料。在計(jì)算機(jī)中通過(guò)相關(guān)軟件設(shè)置數(shù)字三維模型，然后將計(jì)算機(jī)與3D打印機(jī)連接，最后將模型進(jìn)行實(shí)體打印。這種打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行一層一層地疊加，從而可以實(shí)體打印計(jì)算機(jī)中的3D圖形。其可以打印多種內(nèi)容，如機(jī)器人、玩具、食物等。3D打印技術(shù)的主要原理是根據(jù)普通打印機(jī)的打印原理發(fā)明而來(lái)的，能夠?qū)Σ煌牧线M(jìn)行3D模型塑造，具有非常好的效果［3］。

（三）3D打印技術(shù)步驟。在使用3D打印技術(shù)時(shí)，先應(yīng)該進(jìn)行三維設(shè)計(jì)工作，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)的建模工作，然后進(jìn)行切片處理，最后進(jìn)行逐層打印工作。在進(jìn)行切片處理時(shí)，可以利用打印機(jī)讀取相關(guān)模型信息，然后利用相應(yīng)的材料進(jìn)行橫截面的打印工作，再將所有界面進(jìn)行黏合，從而進(jìn)行三維實(shí)體的制作。在進(jìn)行三維模型的打印時(shí)，需要精確設(shè)計(jì)其厚度，一般為0.1mm，專業(yè)3D打印機(jī)還能夠進(jìn)行16μm的厚度設(shè)計(jì)，從而能夠更好地進(jìn)行相關(guān)模型的打印。這種3D打印技術(shù)持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，短則幾個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)則十幾個(gè)小時(shí)，而具體的打印時(shí)間需要根據(jù)模型的尺寸和工序的復(fù)雜程度共同決定。進(jìn)行3D打印技術(shù)工作時(shí)，不僅要打印模型的相關(guān)材料，還需要打印一些支撐物，比如可以制作一些可溶物來(lái)支撐物體，這樣更加容易進(jìn)行相關(guān)實(shí)物的制作。

二、3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

以3D打印技術(shù)為平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)作為一種新的實(shí)踐教學(xué)形式正被越來(lái)越多的高校采納，借助3D打印技術(shù)將學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師以及學(xué)生與所學(xué)專業(yè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生從單獨(dú)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹献魈接?，讓教師從傳統(tǒng)的傳授知識(shí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘岢鰡?wèn)題和巧妙引導(dǎo)模式，充分營(yíng)造出一種探究合作式的學(xué)習(xí)氛圍。江西工程學(xué)院（簡(jiǎn)稱本校）結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)課程特點(diǎn)和實(shí)踐要求，在基于將3D打印技術(shù)與專業(yè)特色相融合的實(shí)踐教學(xué)方面做了一些探索和嘗試，以期將3D打印這種先進(jìn)制造技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)相結(jié)合，并以實(shí)踐教學(xué)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生綜合能力的目的。

（一）3D打印實(shí)驗(yàn)室。本校3D打印創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱3D打印實(shí)驗(yàn)室）創(chuàng)建于2013年，根據(jù)學(xué)院《實(shí)踐教學(xué)的規(guī)定》，結(jié)合學(xué)院現(xiàn)有3D 打印設(shè)備數(shù)量及其功能、專業(yè)指導(dǎo)人員以及工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)特點(diǎn)和課程需求，制定了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱。3D打印軟硬件設(shè)施。在硬件設(shè)備方面，3D打印實(shí)驗(yàn)室包括熔融和光固化兩種3D打印機(jī)及計(jì)算機(jī)10臺(tái)。主要用于模型的打印，在軟件方面，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都裝有SolidWorks、UG、犀牛等通用三維建模軟件供學(xué)生使用和學(xué)習(xí)，學(xué)生可先在計(jì)算機(jī)上通過(guò)三維建模軟件對(duì)目標(biāo)模型建模后，再通過(guò)指定STL格式傳輸至3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

3D打印教學(xué)實(shí)踐指導(dǎo)人員。3D打印實(shí)驗(yàn)室專業(yè)指導(dǎo)人員由8名具有不同專業(yè)背景的教師組成，所學(xué)專業(yè)涵蓋機(jī)械工程、材料科學(xué)、物理學(xué)以及數(shù)控技術(shù)等專業(yè)，既具有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)又具備豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并且其中有多位教師能夠熟練使用3D打印機(jī)和參與過(guò)3D打印技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目。

三、3D打印實(shí)踐教學(xué)及應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的3D打印實(shí)踐教學(xué)始終以遵循依托專業(yè)、服務(wù)專業(yè)為原則，以調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手積極性為方法，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，其實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及應(yīng)用主要包括以下三個(gè)方面：

（一）3D打印與專業(yè)課程相結(jié)合。將3D打印與專業(yè)課程相結(jié)合，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的積極性，又能在實(shí)踐過(guò)程中牢固掌握所學(xué)知識(shí)。借助3D打印技術(shù)增添學(xué)習(xí)樂(lè)趣，讓學(xué)生在玩與學(xué)中形成良性循環(huán)。

（二）3D打印為課程提供教具。教具是課堂教學(xué)中重要的組成部分，借助教具的演示教師可以將抽象的內(nèi)容具體化，將平面的圖形立體化，利用3D打印技術(shù)，教師和學(xué)生可以根據(jù)課程需要，自主為課堂設(shè)計(jì)制作教具，如《工程制圖》中“截交線”和“相貫線”內(nèi)容，學(xué)生可分組合作，在教師的指導(dǎo)下建立不同幾何體三維模型并打印出幾何體實(shí)物模型，教師與學(xué)生利用這些打印出的自制教具對(duì)課程進(jìn)行講解，學(xué)生通觀察教具模型即可掌握“截交線”與“相貫線”的相關(guān)知識(shí)，最后教師再對(duì)打印出的教具進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)，并對(duì)合格模型進(jìn)行展示。由學(xué)生自行創(chuàng)建的不同回轉(zhuǎn)體截交三維模型，使學(xué)生親身參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也實(shí)現(xiàn)了學(xué)院教具的自給自足。

（三）3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐。以我校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)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。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)。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)。

四、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)在作為理論教學(xué)的補(bǔ)充和延伸方面發(fā)揮著十分重要的作用，通過(guò)創(chuàng)建3D打印實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)展具有專業(yè)特色的3D打印技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，這在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力方面起到了積極的引導(dǎo)和推動(dòng)作用。同時(shí)，教師借助3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將前沿科技與專業(yè)學(xué)科進(jìn)行交叉與結(jié)合，對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行不斷設(shè)計(jì)和改革，最終會(huì)形成良性的循環(huán)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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