3D打印技術在模型教學中的實踐初探*

束奇 劉敬 崔運靜

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555）

3D打印技術在模型教學中的實踐初探*

束奇 劉敬 崔運靜

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555）

模型制作是很多高校設計類專業的必修課程，模型可以直觀地體現設計作品的實際效果。它是學生運用不同材料，采用三維的形式表現設計意圖的手段。作者嘗試結合新興的3D打印技術對模型課程教學當中的實踐環節進行探索與思考，旨在提高學生模型制作的效率，激發學生主動創新與求新的思維，并提出了研究型實驗教學改革的實施效果。

模型制作；3D打印；設計創意；工業設計

前言

十三五規劃在實施制造強國戰略、全面提升工業基礎能力、支持戰略性新興產業發展、加快推動服務業優質高效發展等內容篇章中多次提出工業設計的重要性。在工業設計尤其是各類家電產品的研發過程當中，模型制作是其必不可少的一個重要環節。因為模型具有直觀性、完整性以及理性與感性相結合的特性，所以產品在研發上市前必須經過模型樣機測試。首先，通過實物模型的制作來檢驗產品在使用過程中可能會出現的問題以及不足，來進行后期的修改與優化。對降低產品投入市場后出現質量問題的風險有巨大的幫助。其次，產品樣機模型依照設計方案的三視圖進行精確加工制作，使用真實產品所用材料根據實際加工工藝來進行表面處理。模型的色彩盡可能的采取模擬仿真的手法將產品的結構功能、尺寸特點、連接方式等較為清晰的表達出來，這樣才能為研究人機關系、結構尺寸以及外觀造型提供合理的參考依據，真正為項目的審批立項做好準備工作。模型也是研究型實驗教學開展的基礎和前提［1］。正是因為意識到模型制作對工業設計專業的重要性，所以我國很多高校都將模型制作指定為專業必修課程。

在實踐教學當中模型制作課程的實驗內容一般包括石膏模型制作、油泥模型制作、手板模型制作等方法。其中石膏模型制作成本低，但對手工藝的要求較高，對復雜曲面的制作很有難度，比較容易出現誤差；采用油泥制作模型的方式同樣成本低，但制作周期較長；以上兩類實驗內容在課程當中所占的比重也相對較低。而手板模型因為使用的是ABS塑料或者熱成型樹脂來進行制作，成品與真實產品的實際效果最為接近，所以成為模型試驗課程的重點內容。3D打印技術誕生于20世紀80年代后期，經過近20年的發展，已經度過了僅僅針對高精尖產業服務的階段。很多小型3D打印機已經走入了普通家庭［2，3］。將這一技術引入手板模型的實驗教學所需要的硬件條件已經具備，在實驗課程當中嘗試使用3D打印技術可以提高教學效率、激發學生的創新熱情、改變原有的教學及評價體系對于培養復合型創新人才具有重要的意義。

一、3D打印技術在模型制作中的優勢

（一）提高實驗效率

模型制作實驗課程傳統的實驗方法是學生在進行構思時，先將其設計構想體現在草圖上，然后利用各種制作材料和設備將圖紙上的想法，轉化成實際的形態，幫助學生以最快的速度、最高的效率觀察并調整自己的設計效果。而這樣的轉化能力正好是目前教學當中的瓶頸，隨著大量的草圖繪制，其中必然會有一些比較好的細節隨之產生并被選擇到最終的方案當中。在教學中草圖方案的對比選擇是從草圖構思到產品造型初稿的重要步驟，耗時較長。主要從市場調查分析、產品性能要求、制造工藝和外觀審美等方面進行綜合對比分析優缺點，并做出選擇和優化。確定最終方案后，接下來將對其進行三維模型的創建和效果表現。經過大概6～8個課時之后才能開始模型制作，一件模型的制作過程一般來說需要16個課時左右的時間。可以看出模型制作課程實驗課時如果按照48課時為一個單元來計算，那么按照傳統的實驗流程來進行模型制作的話，學生在整個教學單元當中最多可以對模型方案進行一個輪次的修改。而引入3D打印技術之后，一個模型的制作時間僅需要大概4個課時的時間。學生有充足的時間進行反復思考，來對模型進行細致的推敲修改。在這一過程當中教師也可以更多的參與到發現問題和解決問題的教學研討當中。

（二）優化實驗流程

模型制作課程的教學環節主要包括課堂講授（特定材料特性、成型工藝）、示范操作（成型過程、設備使用方法）、教學指導（課堂實踐、課程總結等）。從全局統籌安排模型制作實驗課程，合理安排各類實驗材料的計劃學時，使學生跳出模仿的框架，真正思考如何進行創新設計。隨著新的3D打印教學模式的引入，課程教學更加強調學生前期的創新設計能力，在開始手工制作之前就能利用計算機技術確定優化的實驗加工工序將切實的縮短模型制作周期、降低制作成本，有效地提高學生的工程實踐能力，將學生從重復的體力勞動中解放出來。增加探索性實驗比例，使得實驗課程真正做到“產學研”深度融合，消除實驗教學與廠家實際應用技術的代差［4］。同時使學生掌握新技術，新設備，提高畢業競爭力，符合市場要求。

二、模型制作實驗改革的具體舉措

（一）實驗教學內容的改革

3D打印技術引入模型實驗教學后主要有以下幾點重點改革：

1.要求學生在設計初期，對現有設計進行創新或者改良，同時利用三維建模軟件建立三維模型。這樣讓學生在模型實驗開始之前就對自己的方案有了一個直觀的認識，使得后期的制作過程不再是摸著石頭過河，讓學生的創意思維可以有的放矢。

2.利用泡沫等材料制作草模，來評價和修改設計方案，并將修改結果反饋在三維模型中；在深入設計階段，利用油泥和石膏制作出相應的工作模型，來檢驗設計的人機性、結構性和功能性；新的教學模式并未完全放棄傳統模型實驗教學的教學內容，而是嘗試將新技術與傳統工藝有機融合在一起。

（二）實驗教學中存在的實際問題

在教學的過程當中由于學生剛剛開始接觸3D打印，對于打印材料和程序的設定都還不夠熟悉，所以在制作模型的過程當中經常會遇到模型的錯層，翹邊等問題。目前國內市場上的3D打印機主要使用的打印耗材為ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）和PLA（Polylactic Acid）兩種塑料。從打印精度上來說PLA要優于ABS，但是PLA打印成品不易打磨去料進行精細加工。后期進行模型的表面處理時不如ABS塑料成品工序效率高［5］，所以我們在模型實驗課程中主要選用ABS材料來進行打印制作。但是這樣也帶來了以下問題。

1.ABS材料在打印的過程當中容易因為材料本身的特性而發生細微的扭曲變形。在實踐當中我們發現，可以通過以下幾個方法來進行改善或者避免這個問題。首先我們可以改變打印預熱設置。一般來說PLA材料不用太過在意預熱底板溫度，70℃就可以滿足要求，但是ABS塑料就應該設置為110℃左右（根據室溫上下浮動2℃）。其次在打印之前應該注意設置打印的brim參數，即在模型的最下一層向外多打印的圈數。

2.試驗中由于震動或者電源的原因，打印時可能還會出現錯層的現象。一旦出現這種情況，可以說三維實物模型的制作就算失敗需要重新打印，而這將會花費大量的時間。為了提高模型制作的效率，減少耗材損失，可以將發現錯層的模型及時停機。從打印軟件中設置特定的打印層數，從錯層處開始二次打印。在打印完成之后將兩次打印的成品進行粘結然后再打磨拋光。

由于在課程教學體系中加入了課程評價環節。與上述兩個問題相類似的很多實驗難點，通過學生之間互相討論并且由教師合理引導，最終都得以解決。這個環節學生積極地參與到如何改進實驗方法的討論當中，充分發揮了學生在實驗課程當中的主觀能動性，同時也達到了培養學生團隊協作能力的教學目的。

三、新課程體系的實踐效果

培養具有創新精神和實踐能力的科技人才已經成為建設創新型國家的基礎［6］。“以教帶學，以學促教”的課程體系實施后，學生無論是在課堂的教學中還是在課外的科技活動中都體現出了空前的積極性。在課堂上學生的創新意識不再停留在原有的簡單制作一個模型的概念上，3D打印讓傳統教學當中的展示模型無限的向企業的樣機模型靠近。甚至有同學利用3D打印機制作了部分工件，然后利用網購電機等硬件組裝自制了一臺3D打印機。而另外還有同學利用3D打印技術重新設計并制作的一臺小型激光雕刻機，上述兩臺設備經過調試都可以完成基本的3D打印功能。這遠遠超出了我們對學生工程實踐能力的預期。可以說學生的潛力是巨大的，當我們找到一把合適的鑰匙激發出他們的求新意識之后。他們所展現出的設計構思能力和對不同材質產品的認知能力以及審美意識和開拓創新的精神都較以往有了質的飛躍。

四、結束語

將3D打印技術引入到模型實驗教學當中，對培養學生自主學習的實踐能力將起到至關重要的作用。并且可以激發創新思維，擺脫一味模仿的惰性學習方法。鍛煉團隊協作能力，為走上社會打下堅實工程實踐基礎。對教師來說將這一新的技術引入教學也會對教師的科學素養與工程實踐能力提出新的要求。3D打印技術是第三次工業革命的重要生產工具，經過20多年的發展該技術已經更加成熟。現在它已經深入到醫學、工程、考古等諸多科學領域，在今后的高校教學當中也一定會得到越來越多的應用與重視。在網絡技術極為發達的今天3D打印技術還可以實現在線提交模型文件，可以說該網絡功能甚至給我們提供出理想的教學愿景，學生不再拘泥于教室這一固定的學習環境。無論是在哪里，只要有無線網絡覆蓋的地方都可以隨時隨地的進行設計方案的實踐工作。雖然3D打印技術還存在著很多技術不足，普及起來也許還面臨著很多困難，探索3D打印技術推動教學模式改革的路還很長。但是作為教育工作者我們相信，隨著現代技術的不斷進步這些問題都會迎刃而解。

［1］張紅光.開放實驗室，培養大學生的創新精神和實踐能力［J］.實驗技術與管理，2011，28（6）：16-19.

［2］Rengier F，Mehndiratta A，von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data:review of medical applications［J］.Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（4）：335-341.

［3］董子凡.3D打印：將虛擬“打”進現實［J］.科技生活，2012（23）：5-6.

［4］陸天煒，張文桂，陳燕靈，等.構建個性化實驗教學平臺，促進創新能力及工程實踐能力培養［J］.實驗技術與管理，2008，25（8）：129-131.

［5］王燦才.3D打印的發展現狀分析［J］.絲網印刷，2012（9）：37-41.

［6］李兆隴，陰金香，麻英，等.構建化學實驗平臺，促進研究型人才培養［J］.實驗技術與管理，2006，23（4）：7-9.

Model-making is the required courses of design specialty in many colleges，model can intuitively reflect actual effect of the design works.It's the method that students use different material to perform design intent in the form of 3D.The author tries to explore and study the teaching practical link with emerging 3D Print，improving efficiency of student's model making，activating students'thinking of initiative and innovation，and presenting the implementation effect of research-oriented teaching reform.

Model-making；3D Print；design ideas；industrial design

G642

A

2096-000X（2016）19-0145-02

本文獲得以下項目支持：山東省級教改項目“新時期高校課堂授課藝術與教學技法研究與實踐”（編號：2012146）；中國石油大學（華東）校級重點實驗教學改革項目“模型設計與制作”（編號：SY-A201411）

束奇（1979-），男，陜西西安人，中國石油大學（華東）機電工程學院工業設計系，講師，機械設計及理論專業碩士，主要從事工業設計教育研究工作。