基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)混合式教學(xué)應(yīng)用

胡星曄 鄒澤昌

摘? 要：隨著我國(guó)工業(yè)化步伐的推進(jìn)，傳統(tǒng)手繪和手工模型制作的教學(xué)方法已無(wú)法滿足培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)教學(xué)，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)完成設(shè)計(jì)構(gòu)想、數(shù)字建模、FDM打印、模型評(píng)估改進(jìn)全流程，具有直觀、迅速、易于修改等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)面對(duì)面的課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)實(shí)操技能點(diǎn)與線上學(xué)習(xí)資源進(jìn)行深度融合，線上線下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間、空間限制，有效提升了學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字建模；FDM打印；工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP39；TH164? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）05-0167-04

Blending Learning Application of Industrial Product Model Design Based on Digital Modeling and FDM Printing Technology

HU Xingye， ZOU Zechang

（School of Mechanical and Intelligent Manufacturing， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou? 350007， China）

Abstract： With the advancement of Chinese industrialization， the traditional teaching method of hand-painted hand-made models can no longer meet the needs of cultivating high-quality applied talents. It introduces 3D digital modeling and FDM printing production into industrial product model design teaching， completes the whole process of design conception， digital modeling， FDM printing， model evaluation and improvement by task driven， and it has the advantages of intuition， rapidity and easy modification. Through the blending learning mode， the traditional face-to-face classroom teaching knowledge points， experimental practical skills points and online learning resources are deeply integrated， and the online and offline advantages are complementary， which breaks through the limitation of traditional teaching time and space and effectively improves the learning effect.

Keywords： digital modeling; FDM printing; industrial product design; practical teaching

0? 引? 言

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是為制造工業(yè)產(chǎn)品所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)流程主要包括市場(chǎng)調(diào)研、確定設(shè)計(jì)方向、設(shè)計(jì)草圖、制作效果圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作模型和評(píng)估分析模型等[1]。其中，產(chǎn)品模型制作至關(guān)重要，通過(guò)將產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)、比例、功能、人機(jī)關(guān)系等設(shè)計(jì)概念立體化呈現(xiàn)，具有說(shuō)明性、可觸性、實(shí)踐性、啟發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)。

隨著我國(guó)工業(yè)化步伐的推進(jìn)，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用日益凸顯，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人才的需求日益緊迫。以產(chǎn)品造型為例，造型基礎(chǔ)技能主要包括手工造型、攝影攝像造型和計(jì)算機(jī)造型等，而涉及工業(yè)產(chǎn)品造型的產(chǎn)品展示模型傳統(tǒng)上主要通過(guò)油泥、木材、石膏、塑料、金屬等材料制作，工藝耗時(shí)長(zhǎng)且不易修改優(yōu)化。伴隨著科學(xué)技術(shù)水平和信息化程度的不斷提高，通過(guò)平面或立體手繪表達(dá)輔以手工制作模型的教學(xué)實(shí)踐方法已無(wú)法滿足培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，因此開(kāi)展工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)類課程的實(shí)踐教學(xué)改革研究工作，對(duì)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和成本，促進(jìn)職業(yè)教育水平的提升具有很強(qiáng)的理論及實(shí)際指導(dǎo)意義。

1? 數(shù)字建模軟件在工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的作用

數(shù)字建模是指根據(jù)設(shè)計(jì)者的數(shù)據(jù)、草圖、照片、工程圖紙等信息在計(jì)算機(jī)上利用CAD軟件構(gòu)建出三維模型的過(guò)程。通過(guò)計(jì)算機(jī)造型可三維動(dòng)態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)品工作狀態(tài)和虛擬裝配過(guò)程，并可隨時(shí)參數(shù)化修改尺寸、材質(zhì)和色彩，具有表現(xiàn)直觀、靈活度高、成本低、修改周期短等優(yōu)點(diǎn)，這種區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的全新設(shè)計(jì)思維客觀上已成為工業(yè)設(shè)計(jì)師必須掌握的重要造型方法之一，它帶給產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不僅僅是藝術(shù)創(chuàng)作形式的改變，更是創(chuàng)作思維方式上的變革，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。目前主流的工業(yè)設(shè)計(jì)類數(shù)字建模軟件有UG、Solidworks、Inventor等，藝術(shù)設(shè)計(jì)類的有Maya、Rhinocero、ZBrush等，兩者的主要區(qū)別在于藝術(shù)類更注重藝術(shù)性和審美，工業(yè)類更注重產(chǎn)品尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)系，更適合零件電子產(chǎn)品尺寸比較高的物體。在課程教學(xué)中，主要引入Solidwoks軟件進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。以槍型打火器產(chǎn)品為例，學(xué)生手繪設(shè)計(jì)稿如圖1所示，學(xué)生數(shù)字建模圖如圖2所示，兩種模型繪制方式的優(yōu)劣對(duì)比如表1所示。

由表1可以看出，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中，采用數(shù)字建模的優(yōu)勢(shì)在于耗時(shí)短、效率高，具有參數(shù)可反復(fù)修改、可混合建模、動(dòng)態(tài)演示觀察、動(dòng)畫(huà)拆分等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)三維空間造型的理解能力和作圖表達(dá)能力，對(duì)產(chǎn)品的遮擋關(guān)系、裝配關(guān)系有更加直接的認(rèn)知，從而有效把握平面設(shè)計(jì)與空間三維造型之間的關(guān)系，還有助于提高學(xué)生對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為之后的加工制造提供多元可靠的數(shù)據(jù)支持。

2? FDM打印加工在工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的作用

從20世紀(jì)80年代末誕生至今，3D打印由于具有高度柔性、可CAD模型直接驅(qū)動(dòng)、成型快速、技術(shù)高度集成等特點(diǎn)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，而熔融沉積成型（FDM）工藝因設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉和快速高效等優(yōu)點(diǎn)，成為3D打印技術(shù)中一種發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛的類型[2-5]。

FDM打印技術(shù)原理是采用離散方式產(chǎn)生空間小三角形面片逼近實(shí)體模型，并沿高度方向進(jìn)行分層切片，獲得可供FDM打印機(jī)識(shí)別的模型文件，打印機(jī)在讀取每層的數(shù)據(jù)信息后，控制軟件將運(yùn)算產(chǎn)生加工軌跡并將低熔點(diǎn)絲材（ABS、PLA）加熱至熔融狀態(tài)，通過(guò)噴嘴將絲材選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成制件截面輪廓，當(dāng)一層成型后，工作臺(tái)下降一個(gè)截面層的高度，噴頭再進(jìn)行下一層的涂覆，往復(fù)循環(huán)最終得到一個(gè)三維實(shí)體[6，7]。

由于FDM打印的增材制造，快速高效且不受復(fù)雜的曲面和結(jié)構(gòu)限制，人們的創(chuàng)意和想象更具發(fā)揮的空間，產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)將具更豐富的可能性，為產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)、制造以及市場(chǎng)營(yíng)銷提供了更為全面高效的參考。為此，在實(shí)踐教學(xué)中引入FDM快速成型打印制造，如圖3所示，學(xué)生在分組線上學(xué)習(xí)FDM工藝流程和設(shè)備操作技能點(diǎn)后，線下利用FDM打印機(jī)進(jìn)行實(shí)操，如圖4所示為學(xué)生FDM打印實(shí)踐作品?？梢钥闯?，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中采用FDM打印技術(shù)，能強(qiáng)化學(xué)生們的實(shí)踐技能，提升自主分析和解決問(wèn)題的能力，從而加深對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的理解。

3? 基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)案例

雖然數(shù)字建模對(duì)工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)起到了強(qiáng)大的輔助作用，但由于產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)是否合理、零件之間有無(wú)干涉在使用虛擬數(shù)字模型時(shí)存在不確定性，想象過(guò)程較為抽象，對(duì)不少高職學(xué)生來(lái)說(shuō)仍存在困難。此外，建模過(guò)程只是單純進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和構(gòu)建，無(wú)法對(duì)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行比對(duì)與評(píng)估，故整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和學(xué)習(xí)效果最終評(píng)價(jià)[8]。因此，在教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)引入數(shù)字模型設(shè)計(jì)并結(jié)合FDM打印加工演示驗(yàn)證，可在短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，大大節(jié)省了加工成本和時(shí)間，提高了制造效率，產(chǎn)品直觀形象，在教學(xué)實(shí)踐中具有很強(qiáng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

以創(chuàng)意筆筒設(shè)計(jì)為例，學(xué)生以小組為單位，針對(duì)上述主題進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)，提示在具備吸引力和表現(xiàn)力的同時(shí)，兼顧產(chǎn)品的功能與實(shí)用性。如圖5到圖10所示，學(xué)生通過(guò)構(gòu)建二維草圖、實(shí)體旋轉(zhuǎn)切割、零部件裝配、材質(zhì)渲染等步驟完成了模型建立。其中，A組同學(xué)以哆啦A夢(mèng)的百寶袋為切入點(diǎn)，將袋子創(chuàng)意改造為放筆處，如圖5所示，功能造型兼?zhèn)?，令人?ài)不釋手。B組同學(xué)則是將雪人的手臂改造為插筆處，如圖8所示，兩個(gè)清新的小雪人手挽手，也可作為情侶間禮物饋贈(zèng)，以示風(fēng)雨同舟。可以看出，產(chǎn)品在通過(guò)數(shù)字模型的形象表達(dá)后，生動(dòng)直觀地反映了設(shè)計(jì)理念和功能要求。再將數(shù)字模型stl格式化后，即可直接用于FDM打印加工，無(wú)須準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝夾具，幾個(gè)小時(shí)即可完成整個(gè)筆筒模型的制作，相較于其他制作方法，更加高效便捷。除了快速性，質(zhì)感方面，從圖7和圖10中可看出產(chǎn)品整體光潔度良好，哆啦A夢(mèng)的五官和雪人帽檐的花紋的細(xì)節(jié)也得到清晰表達(dá)。但需要指出的是，在評(píng)估環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)A組存在筆筒比例過(guò)小、放置不穩(wěn)定的問(wèn)題，提示學(xué)生后續(xù)可通過(guò)將筆筒鏤空或放大比例進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

4? 基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)流程中主要以手繪技巧和手工模型制作為主要表達(dá)方式，對(duì)繪圖技法、透視原理、空間造型、審美能力等有較高要求，隨著信息化技術(shù)手段的不斷進(jìn)步和發(fā)展，將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)教學(xué)，能有效降低不同層次學(xué)生進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)的門(mén)檻，相對(duì)于傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式，其特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1? 在傳統(tǒng)技藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)手段創(chuàng)新

手繪表現(xiàn)技法是一個(gè)將思維物化的過(guò)程，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師自身設(shè)計(jì)思維表達(dá)的路徑，它不同于一般的藝術(shù)創(chuàng)作，而是需在傳統(tǒng)技藝的基礎(chǔ)上，更有針對(duì)性地了解產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)，它不僅僅是設(shè)計(jì)師個(gè)人風(fēng)格的體現(xiàn)手段之一，更是工業(yè)設(shè)計(jì)師與投資生產(chǎn)商之間進(jìn)行溝通交流的媒介之一。但通過(guò)將圖片、文字、符號(hào)等內(nèi)容以視覺(jué)化的方式靜態(tài)呈現(xiàn)于紙上的形式，在產(chǎn)品表現(xiàn)上仍略顯單薄。為此，通過(guò)數(shù)字建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可隨時(shí)參數(shù)化修改產(chǎn)品的尺寸、材質(zhì)和色彩，得到的數(shù)據(jù)模型再通過(guò)FDM打印，可突破材料、空間的界限，使產(chǎn)品表達(dá)快速具象化、多維化，整個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)快速，非常適合高校的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。同時(shí)，學(xué)生經(jīng)過(guò)對(duì)模型的自主探索推敲并優(yōu)化設(shè)計(jì)這一完整連續(xù)的實(shí)踐過(guò)程，能有效加深感性認(rèn)識(shí)，并彌補(bǔ)在校進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題，有效提升了教學(xué)效果。

4.2? 以賽促教實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，依托1+X增材制造設(shè)備操作與維護(hù)職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)考核和職業(yè)技能大賽“工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)”“工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與3D打印”等相關(guān)賽項(xiàng)，將競(jìng)賽內(nèi)容、技能考核要求融入課程內(nèi)容架構(gòu)和課程考核評(píng)價(jià)，通過(guò)選取有代表性的產(chǎn)品案例，如自主設(shè)計(jì)多功能筆筒、兒童理發(fā)器、掃地機(jī)器人、便攜臺(tái)燈、便攜加濕器等，由淺入深，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)，充分給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)多樣性，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.3? 線上線下混合實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)模式創(chuàng)新

如圖11和圖12所示，線上通過(guò)信息化教學(xué)平臺(tái)將數(shù)字建模過(guò)程和FDM打印的技能點(diǎn)以視頻、動(dòng)畫(huà)、多媒體等形式進(jìn)行講解，如圖13所示，以小組討論、頭腦風(fēng)暴、在線測(cè)試等方式與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，線下通過(guò)分組實(shí)操、組間互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，通過(guò)線上線下混合教學(xué)，突破傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間、空間限制，為做而學(xué)，以學(xué)促做，做學(xué)相長(zhǎng)，全面檢驗(yàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

5? 結(jié)? 論

將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)教學(xué)，利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬模型模擬產(chǎn)品的外觀造型、色彩、質(zhì)感及人機(jī)關(guān)系，并利用先進(jìn)的快速成型手段進(jìn)行產(chǎn)品原型制造，具有直觀、迅速、易于修改等優(yōu)勢(shì)，使設(shè)計(jì)工作各個(gè)環(huán)節(jié)高度整合，有效改變?cè)局貜?fù)的基礎(chǔ)性工作，有助于加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，提高工作效率，在更高層面上提高設(shè)計(jì)品質(zhì)。同時(shí)，通過(guò)課程教學(xué)手段創(chuàng)新，有效降低了不同層次學(xué)生進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)的門(mén)檻，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的活躍和靈感激發(fā)具有深入、完善的積極作用，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過(guò)程的閉環(huán)控制。

依托1+X考證及其職業(yè)技能大賽，將競(jìng)賽內(nèi)容、技能考核要求融入課程內(nèi)容架構(gòu)和課程考核評(píng)價(jià)，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)，充分給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)多樣性，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

借助現(xiàn)代教育技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)優(yōu)化整合教學(xué)資源，通過(guò)混合式教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)線上線下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間、空間限制，有效幫助教學(xué)目標(biāo)順利達(dá)成。

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作者簡(jiǎn)介：胡星曄（1981—），女，漢族，福建福州人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、增材制造。

收稿日期：2022-10-10

基金項(xiàng)目：福建省增材制造創(chuàng)新中心開(kāi)放課題（ZCZZ202-03）