3D打印在藝術設計實驗教學中的應用探索

摘"要：3D打印技術應用在實驗教學中，對豐富課堂內容、創新教學模式具有重要意義。結合目前文創產品的設計特點，3D打印能夠搭建起“創新設計”與“快速制造”之間的橋梁。學生將不同的文化元素進行融合創新，提出設計理念，通過SolidWorks建模軟件，把創意構思呈現到三維模型上，進行操作性實驗，打印出文創產品，有利于學生對專業知識的掌握，同時能夠激發學生的學習興趣，培養學生的自主設計和實踐動手能力，實現所想即所得。3D打印技術引入藝術設計實驗課程中對教學改革和思政課程融入也具有借鑒作用。

關鍵詞：3D打印；實驗教學；三維模型；文創產品

3D打印技術廣泛地應用在產品設計、生物醫療、航空航天、教育科研等領域，對推動社會經濟發展具有重要作用［1］。相比于常規的平面打印，3D打印是使用計算機輔助設計軟件創建一個數字化模型，在使用切片軟件將其切割成薄薄的層次，3D打印機按照這些切片逐層堆積材料來構建物體。如圖1所示是3D打印機的原理，使用3D打印技術具有加工速度快、精度高、設計靈活、節省材料等優勢。以模型設計為基礎，根據用戶需求設置個性化的打印方案，搭建起“創新設計”與“快速制造”之間的橋梁，積極探索3D打印技術在實驗教學方面的應用，對課程改革、思政課建設、提高學生的設計創造能力及其思維開發具有重要作用［2］。

一、3D"打印技術在實驗教學領域的研究現狀

3D打印技術逐漸進入校園，開設相關的實驗教學課程，對學生進行創新教育，指導學生將創意想法轉變成立體實物，對學生技能培養和教學課程改革具有重要作用。在國內高校，西安交通大學的桂亮等人［3］將3D打印技術引入創客實踐教學環節中，培養大學生的創新創業能力；廣東工業大學的陳子豪等人［4］以立體裁剪課程為例，將3D打印技術應用在服裝設計實驗教學中；天津大學的趙慶等人［5］提出基于CDIO（構思—設計—實施—運行）模式的3D打印實踐教學，以產品研發到產品運行為周期，使學生既能學習專業知識，又有足夠的發揮空間，學生的綜合能力得到顯著提高。3D打印技術融入實驗教學體系中，不斷探索教學新模式，努力培養出具有科技素養和專業技能的現代化人才。3D打印技術可以制造出多元化、個性化的創意產品，其生產方式靈活便捷，逐漸應用在實驗教學領域［6］。

（1）借助3D打印實驗室平臺，引導學生開展課題設計，掌握產品的制作流程。實驗教學環節引入3D打印技術，可以培養學生的創新設計能力，使用3D打印機，打印出個性化的實物，使學生將理論學習與實踐制作相結合。

（2）依托3D打印實驗室，能夠培育大學生創新創業基地。誕生一些大學生創新創業項目，促進產學研結合，形成創意—創新—創業的產業化研發平臺。

（3）3D打印實驗室為師生參與各類創新競賽提供有力的支撐和輔助。3D打印技術能夠迅速將學生的創意設計通過打印機轉變成特定的產品，作為學生參賽時的實物作品，能夠清晰展現產品設計流程以及功能實現，鍛煉學生的綜合能力。

二、3D打印在藝術設計實驗教學中的應用

（一）3D打印技術對藝術設計方式的改變

3D打印技術正在以其對設計創新的強力支撐改變傳統的實驗教學途徑。在實驗教學中，按照“構思—設計—實施—運行”的教育模式，啟發學生將文化特征與藝術特征進行結合，選擇文化元素，進行提取設計，使用3D打印技術將文創設計理念呈現到產品上，指導學生打印出文創作品，這種立體打印制作過程將二維平面的藝術創作擴展到了三維空間，使學生能夠將自己的想象繪制出來，并且轉化為實際的三維模型。3D打印技術應用在實驗教學中，對豐富教學內容、開展創新教育、進行實踐教學改革，起到積極的推動作用［7］。

（二）3D打印技術使文創產品創作形式更加多樣

生產出兼具產品形態與功能的文創產品，使文化藝術的傳播表現形式更加豐富多樣，在一定程度上加深人們對文化的理解。文創產品是能夠表達人文情感和滿足個性化需求的產品，將3D打印技術與文創產品設計理念進行有機結合，精確還原設計創意和思路，同時通過調整電腦設計模型，打印出實物，每一件作品都可以是獨一無二的，能夠掌握創意產品快速制造的新方法，也突出了設計作品的獨特性和價值效應。3D打印技術讓產品設計不受制造技術的約束，使設計師實現“所想即所得”，為文創產品的各種創意造型實現提供了可能［8］。豐富多樣的文創產品走向旅游市場，獲得的良好銷售業績反哺藝術設計教學，增加了學生和學校等創作源頭的收入，改善了實驗教學條件，形成了良好的正向反饋機制。不斷涌現的新形式藝術品創作，不僅擴充了藝術品種類，而且能更快進行仿形和改型設計。

（三）多學科合作與創新

3D打印技術被廣泛應用在實驗教學和創新能力培養。通過搭建多學科融合的3D打印平臺，可以打破傳統教學的壁壘，促進不同專業之間的交流與合作。科技助力文物“重生”，3D打印技術進校園、進課堂，廣泛應用在文物藝術品復制與修復上，通過信息采集和模型建立兩大步驟，即使用3D掃描儀記錄文物的外形和細節，獲取三維數據，然后將其轉換成可打印的3D模型，從而實現對文物的修復、保護和傳承。

浙江大學與云岡研究院合作，用3D打印技術原比例復制了云岡石窟第12窟，實現了全球首例可移動3D打印復制洞窟，用掃描儀掃描，把整個石窟定位在坐標系當中，獲取它整體的形狀架構，現場采集完后，在計算機上對每一個細節做后處理運算和人工修補，得到一個完整的石窟模型。做展示時，根據石窟的形狀和3D打印機的幅面，切成很多很多的小塊，再進行3D打印，之后拉到目的地，分層組裝進行布展［9］。將傳統技藝與現代科技深度融合，保存文物信息，探索3D打印應用的各種可能，使文物呈現結構的完整性和藝術的完美性，重獲新生。

3D打印應用在建筑沙盤教學實踐中，實體建筑沙盤模型可以根據用戶需求，使用3D打印技術進行快速成型打印制作，相對于傳統建筑沙盤制作工藝，具有模型造價低、節省時間、修改靈活、材料利用率高、精度高等優勢。以學校里面的建筑景觀為研究對象，進行建筑沙盤3D打印，對激發學生的學習熱情和提升專業技能具有重要作用［10］，也為建筑設計領域帶來了較高的生產效率和設計自由度。通過3D打印實驗教學，有助于學生理解掌握專業知識，培養立體空間思維，促進跨學科學習，3D打印技術也在教育領域發揮出越來越重要的作用。

三、3D打印文創產品實驗設計

（1）通過介紹3D打印的概念原理、操作方法及應用等，使學生掌握3D打印的基礎知識以及“創意設計—三維模型—3D打印”的快速實現過程。（2）選取文化特征元素，提出設計理念，利用3D打印技術將其呈現到產品上。在設計中賦予產品文化內涵，將設計理念轉化成三維模型，打印出文創產品。（3）指導學生使用建模軟件，進行三維建模，選擇SolidWorks軟件建立模型并可以在線優化。（4）文創產品的三維模型導入3D打印切片軟件中打開，對打印模型進行切片，規劃生成打印路徑，編譯為G代碼，將編譯好的文件輸入進打印設備，確定合適的打印材料，進行打印操作，完成模型制造。

四、學生操作性實驗

學生操作性實驗以三維模型的建立、HCura"3D打印切片軟件和3D打印機的具體使用為主要實踐內容。在計算機軟件SolidWorks中建立三維模型，將模型保存為STL、G代碼或OBJ格式等。在電腦上安裝HCura切片軟件，將建立好的模型導入進去，進行打印設置，調整打印所需要的參數包括層高、層厚、打印速度和溫度等。讀取完模型后會在Cura界面上顯示該模型所需的打印時間、使用耗材情況。加載完成的模型保存到SD卡中，直接在打印機打印，或者將打印機與電腦連接進行打印。打印完成后，可能需要進行一些后期處理工作，以提高模型的質量或完成度，具體有打磨表面、上色或其他裝飾處理。如圖3是口哨模型打印6min的效果圖，圖4是打印17min后的效果圖，圖5是打印完成之后完整的模型，操作展示過程如圖。由此看出，3D打印是使用增材制造的方法，依照CAD三維模型通過逐層堆疊材料打印出產品。

基于3D打印技術，與課程教學、大學生創新創業項目、課題競賽等相結合，進行創新性實驗教學，不僅豐富了實驗教學內容，而且激發了學生創新創業的興趣，提高了多學科知識融合應用的能力。

實驗教學包括三維設計、增材制造工藝學習、3D打印軟件的使用及3D打印機的操作，涉及了“計算機輔助設計”“制圖”“特色品牌文創設計”等基礎課程，只需要在電腦設計出三維模型，將模型輸入3D打印機，便能制作出實物。如圖6是學生使用3D打印機打印出來的一些作品。

結語

3D打印技術與傳統藝術設計相結合，不斷豐富藝術品種類和表現形式，將3D打印技術引入藝術設計實驗教學中，指導學生開展一系列創新性實驗項目，掌握文創產品設計到3D打印的過程，能夠培養學生的自主設計和實踐動手能力。不斷對教學方式進行新的探索，為學生培養、產學研合作、大學生創新創業、項目競賽等提供技術支撐，也為今后的教學改革以及思政課建設起到啟發作用。

參考文獻：

［1］韓榮雷，孫雪冬.創客時代3D打印在高校課程開發的應用研究［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2016，34（01）：113116.

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［3］桂亮，金悅，趙衛軍，等.3D打印技術在創客實踐教學環節中的應用［J］.實驗技術與管理，2016，33（10）：181184.

［4］陳子豪，柴麗芳.基于3D打印技術在服裝設計專業教學中的創新運用研究：以立體裁剪課程為例［J］.裝飾，2019（01）：120123.

［5］趙慶，秦俊男.3D打印技術在實踐教學領域的應用探討［J］.塑料工業，2018，46（06）：124128.

［6］莫遠東，連海山，莫德云，等.校企共建3D打印實驗室在實踐教學中的應用探討［J］.實驗室研究與探索，2020，39（08）：232235.

［7］韓蓉，王寶瑞，王甜，等.應用型本科院校3D打印技術人才培養模式研究［J］.造紙裝備及材料，2022，51（08）：236238.

［8］王瑋.3D打印技術在藝術設計專業教學的應用與創新：以山東工藝美術學院3D打印技術中心為例［J］.山東工藝美術學院學報，2018（03）：9799.

［9］刁常宇，高俊蘋，寧波，等.超大體量石窟文物數字化3D打印再生技術及應用［J］.工業技術創新，2023，10（03）：3240.

［10］朱玲英，楊輝.基于3D打印技術的沉浸式建筑沙盤教學實踐研究［J］.數字通信世界，2022（06）：8284.

作者簡介：崔蒙蒙（1993—"），女，漢族，陜西商洛人，碩士研究生，助理實驗師，研究方向：實驗室建設與儀器設備的應用探索。