淺談三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

[摘 要] 目的：對三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。方法：研究三維打印技術(shù)的歷史、發(fā)展及前景，研究三維打印技術(shù)的種類及應(yīng)用，提出三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的可能性，通過教學(xué)實踐，驗證其可行性。結(jié)論：三維打印技術(shù)在工程制圖、機(jī)械原理等產(chǎn)品工程基礎(chǔ)課程，在模型制作課程、計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計課程、產(chǎn)品設(shè)計課程、畢業(yè)設(shè)計等課程中均可發(fā)揮效用，提高教學(xué)效率和教學(xué)效果，并使學(xué)生掌握工業(yè)設(shè)計新的技能與手段。

[關(guān) 鍵 詞] 三維打印；工業(yè)設(shè)計；教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）10-0094-04

三維打印（3D Printing）的技術(shù)名稱是“增材制造（Additive Manufacturing，AM）”，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬、液態(tài)或者粉末狀樹脂，通過逐層粘合固化的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。三維打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用在國防、航空航天、醫(yī)療、加工制造、工業(yè)設(shè)計、藝術(shù)設(shè)計與教學(xué)等各個領(lǐng)域[1]。由于三維打印技術(shù)的突出優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，已成為工業(yè)設(shè)計模型制作中的一項關(guān)鍵技術(shù)[2]。工業(yè)設(shè)計專業(yè)的主修課程有工程制圖、工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)、手繪技法、人機(jī)工程學(xué)、設(shè)計心理學(xué)、模型制作、計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計、工業(yè)設(shè)計方法學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計、視覺傳達(dá)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計等[3]。這些課程的教學(xué)，有的需要使用教具或道具，有的需要制作實物模型。能否將三維打印技術(shù)運用到教學(xué)當(dāng)中，從而提高教學(xué)效率和效果，并使學(xué)生掌握工業(yè)設(shè)計新的技能與手段，是廣大設(shè)計學(xué)科教師需要考慮的事情。

一、三維打印技術(shù)簡介

三維打印技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法。近二十年來，三維打印技術(shù)得到快速發(fā)展，“增材制造”“快速原型制造（Rapid Prototyping）”“實體自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之類各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這一技術(shù)的特點。

三維打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，三十年來三維打印技術(shù)快速發(fā)展，其原理結(jié)合不同的材料和實現(xiàn)工藝，形成了多類型的三維打印技術(shù)及設(shè)備。目前已有的設(shè)備種類多達(dá)20余種，在消費電子產(chǎn)品、航天航空、醫(yī)療、汽車、軍工、地理信息及藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域被大量應(yīng)用[4]。主流的三維打印技術(shù)有熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus，SLA）、三維粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）、選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering，SLS）等[5]。三維打印的材料也非常廣泛，涉及熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、幾乎任何合金、可食用材料、液態(tài)樹脂、金屬線、塑料線、紙張、金屬膜、塑料膜、石膏等。隨著技術(shù)的發(fā)展，三維打印技術(shù)會越來越成熟、越來越先進(jìn)，可用材料會越來越多。

三維打印技術(shù)具有以下優(yōu)點：1.可實現(xiàn)傳統(tǒng)加工工藝難以成型的形體，為設(shè)計提供新思路。2.適合小批量生產(chǎn)，節(jié)約模具成本、節(jié)省時間。3.可打印中空的模型，減輕產(chǎn)品重量。4.能夠減少零部件，節(jié)約組裝成本[6]。當(dāng)然，三維打印技術(shù)并不能制造一切，有些東西它就造不出來，并且它不等于第四次工業(yè)革命，它只是推動第四次工業(yè)革命的技術(shù)之一。

二、三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)相關(guān)課程中的應(yīng)用

（一）工程制圖、機(jī)械原理等產(chǎn)品工程基礎(chǔ)課程

工程制圖、機(jī)械原理是產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)工程基礎(chǔ)課程的重要組成部分，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的繪圖與讀圖能力，使其掌握機(jī)構(gòu)學(xué)和動力學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能，并初步具有確定機(jī)械運動方案，分析和設(shè)計機(jī)構(gòu)的能力[7]。這部分內(nèi)容較為抽象，需要一定的空間想象力、邏輯思維能力，為了較好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，教師通常使用作圖工具類、掛圖類、模型類、多媒體類等教具，其中模型類教具直觀性強(qiáng)，可引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。

工程制圖——傳統(tǒng)的工程制圖教具通常由木材、金屬制成，學(xué)校在采購時通常是成批購買，很多教具不一定用得上，有一些特殊模型還往往沒有。因為該教具不是大批量的消費品，因此成本較高、可選擇性較小。可以根據(jù)課程需要，利用三維打印機(jī)制作基本幾何體、組合體，幫助學(xué)生理解視圖、相貫線等概念。打印剖切模型，有助于學(xué)生理解剖視圖的概念及其繪制。打印非常用零件，有助于學(xué)生理解零件圖的繪制。桌面型三維打印機(jī)打印成本較低，打印中空的小規(guī)格教具，成本可以得到有效控制。圖1、圖2為采用桌面型三維打印機(jī)制作工程制圖課教具。

機(jī)械原理——利用三維打印機(jī)制作相關(guān)機(jī)構(gòu)模型，比如連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。建立好機(jī)構(gòu)模型，輸出到三維打印機(jī)打印出來，可打印較仿真的機(jī)構(gòu)，比傳統(tǒng)的ABS板、或者PMMA板制作的板式教具真實感更強(qiáng)。

（二）模型制作課程

產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)的模型制作課程涉及的材料按形式分有線材、板材、塊材。

板材包含了ABS、PMMA板材的熱成型，這類模型的制作通常需要制作模具。傳統(tǒng)的模具是木模，模具可由手工或者CNC加工，前者依賴制作者的技藝，精度難以保證；后者雖然精度較高，但經(jīng)濟(jì)成本較高。有了三維打印后，可以在計算機(jī)里建立三維模型，然后快速地將模具打印出來，對打印后的模具作一定處理，就可以用于板材的熱成型。三維打印技術(shù)實現(xiàn)了模型制作新的工藝，是對傳統(tǒng)工藝的一種有益補(bǔ)充。

塊材模型含有石膏模型、硅膠模型等。這類模型的制作首先需要制作陽模，由陽模翻制出石膏或者硅膠陰模，再由陰模翻制出最后的模型。可以用三維打印機(jī)打印出陽模，ABS或者PLA的打印材料足以滿足石膏或者硅膠模型翻制的強(qiáng)度要求。可以打印多件陽模，再用于翻制模型，實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。圖3、圖4、圖5、圖6為模型制作課程中，利用計算機(jī)建立三維模型，由桌面型三維打印機(jī)打印出PLA陽模，再由PLA陽模翻制出石膏陰模，最后由石膏陰模翻制出硅膠模型。

（三）計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計課程

計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計（Computer-Aided Industrial Design）課程涉及的三維軟件主要有Rhino、Alias、Solidworks、Pro/E、UG等。利用軟件，可以建立產(chǎn)品的數(shù)字模型，用于造型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真運動及分析等。軟件的功能固然很強(qiáng)大，但無法替代實物模型的作用，并且深入學(xué)習(xí)軟件需要較大的時間成本。實物模型具有可視化、可感知、真實感等特性，在驗證設(shè)計方案合理性時具有不可替代的作用，有助于即時調(diào)整方案、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[9]。三維打印技術(shù)可以快速地建立產(chǎn)品原型，從而在產(chǎn)品開發(fā)時減少時間及經(jīng)濟(jì)成本。圖7、圖8、圖9為計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計課程中，在三維軟件中建立建筑模型，由光固化（SLA）三維打印機(jī)打印出高精度模型，最后進(jìn)行打磨、電鍍等表面處理。

（四）產(chǎn)品設(shè)計課程

產(chǎn)品設(shè)計課程通常會涉及產(chǎn)品設(shè)計的一般性流程，任課老師都會讓學(xué)生按照流程“走”一遍。隨著時代的發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計的流程也在發(fā)生著改變，由原先從概念到產(chǎn)品的單一流程，演變?yōu)榈_發(fā)的過程。近幾年，三維打印技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及在企業(yè)實際流程中發(fā)揮著越來越重要的作用，在課程中如何發(fā)揮三維打印的作用，與設(shè)計流程緊密結(jié)合并且推動設(shè)計發(fā)展，便是任課老師需要思考的問題。

西門子公司在提倡“數(shù)字化工廠——從虛擬演進(jìn)到現(xiàn)實”的概念，實際上是要將數(shù)字化用于產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造和服務(wù)維護(hù)各個流程中，并且指出了該流程是迭代上升的流程。公司探究了三維打印在各個流程中發(fā)揮的作用，并給出了“數(shù)字化工廠”帶來的綜合效益：1.新機(jī)器的開發(fā)時間縮短了70%。2.從概念產(chǎn)生到畫出制造圖紙只需以往系統(tǒng)1/6的時間。3.用虛擬樣機(jī)代替了物理樣機(jī)。4.產(chǎn)品上市時間縮短了33%。5.制造成本減少了20%。6.返工率從20%降到了2%。其中，三維打印技術(shù)步伐完整參與到“數(shù)字化工廠”這一開發(fā)流程中。

從企業(yè)的實踐經(jīng)驗中，課程設(shè)計也應(yīng)該跟上時代步伐，并且努力嘗試，積極發(fā)揮三維打印在整個流程中的作用，完善設(shè)計流程。

（五）畢業(yè)設(shè)計課程

畢業(yè)設(shè)計是檢驗學(xué)生對專業(yè)知識掌握情況的重要環(huán)節(jié)，也是考查學(xué)生解決實際問題能力的手段，是對學(xué)生所學(xué)知識的總結(jié)，是衡量學(xué)校教學(xué)水平和學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)[10]。學(xué)生通過市場調(diào)研、手繪、草模、計算機(jī)模型、高保真模型、人機(jī)分析等工具與手段進(jìn)行創(chuàng)造與探討。三維打印技術(shù)的推廣與普及，使得學(xué)生在創(chuàng)意階段可以把模型快速打印出來，檢驗方案的合理性，并及時做出調(diào)整。并且三維打印機(jī)可以用于制作最終展示模型，圖16、圖17、圖18、圖19為學(xué)生利用桌面型三維打印機(jī)將畢業(yè)設(shè)計作品零部件打印出來，然后打磨、噴漆和拼裝成最終的模型。模型精度及表面效果足以滿足模型展示的需求。在畢業(yè)設(shè)計中，如果對三維打印技術(shù)的特性加以巧妙利用，可以創(chuàng)作出利用傳統(tǒng)工業(yè)手段難以加工的作品。

三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)眾多課程的教學(xué)中可以發(fā)揮作用，成為一種新的教學(xué)手段，也是一種新的設(shè)計工具與手段。三維打印技術(shù)日新月異，必將越來越普及和易用，利用新技術(shù)提高教學(xué)效率和效果，改善設(shè)計流程，是工業(yè)設(shè)計專業(yè)教師值得研究的一個方向。

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