基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)教學(xué)

楊南粵， 周 敏， 李爭名

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 工業(yè)中心，廣州 510665)

·實習(xí)與實訓(xùn)·

基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)教學(xué)

楊南粵， 周 敏， 李爭名

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 工業(yè)中心，廣州 510665)

在“中國制造2025”背景下，制造業(yè)對3D打印技術(shù)應(yīng)用型人才需求非常龐大。從職業(yè)教育角度分析了目前3D打印技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)存在的問題，針對這些問題提出將3D打印技術(shù)融入傳統(tǒng)制造類專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)，讓學(xué)生在面向生產(chǎn)、面向制造的職業(yè)技能訓(xùn)練中學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)并應(yīng)用于解決生產(chǎn)實際問題。以融入3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)教學(xué)為例闡述了上述方案的實施。實踐證明實訓(xùn)與企業(yè)崗位需求相結(jié)合，對于培養(yǎng)具有3D打印技術(shù)又能應(yīng)用于專業(yè)制造領(lǐng)域的復(fù)合型應(yīng)用人才具有積極的作用。

3D打印技術(shù)； 產(chǎn)品開發(fā)； 模具設(shè)計； 實訓(xùn)教學(xué)； 職業(yè)教育

0 引 言

3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)字制造技術(shù)，被英國著名雜志《經(jīng)濟學(xué)人》稱為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”[1]。2015年國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》中明確指出3D打印技術(shù)已成為我國加快實現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)手段。3D打印作為制造業(yè)有代表性的顛覆技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用一方面促進(jìn)了先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，另一方面也使3D打印技術(shù)應(yīng)用型人才匱乏的問題日益凸顯，特別是掌握3D打印技術(shù)又能應(yīng)用于專業(yè)制造領(lǐng)域的復(fù)合型應(yīng)用人才相當(dāng)緊缺。以珠江三角洲地區(qū)制造業(yè)為例，目前珠三角地區(qū)是我國制造業(yè)的生產(chǎn)中心和消費中心，該地區(qū)的模具產(chǎn)業(yè)規(guī)模約占全國1/3左右[2]。而國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)在珠三角地區(qū)占據(jù)了80%的份額，主要分布在各種制造行業(yè)中，但相應(yīng)的人才缺口較大，例如既懂3D打印技術(shù)又能應(yīng)用于模具制造過程的復(fù)合型應(yīng)用人才企業(yè)需求量很大，供不應(yīng)求。

美國新媒體聯(lián)盟2014年發(fā)布的《地平線報告》對3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用做了詳細(xì)的說明，指出3D打印能夠幫助學(xué)習(xí)者感受數(shù)據(jù)采集、物化設(shè)計等“制造性學(xué)習(xí)”過程[3]。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，為職業(yè)教育帶來了變革性的影響，使職業(yè)教育既面臨前所未有的挑戰(zhàn)，同時也面臨新的發(fā)展機遇。3D打印技術(shù)不僅為職業(yè)教育帶來教育教學(xué)手段的變化，更帶來職業(yè)教育思維的變化。面對新一輪科技革命，職業(yè)教育如何適應(yīng)新形勢新要求，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高培養(yǎng)質(zhì)量，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供強有力的人力資源支撐是一個值得思考的問題[4]。

1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)存在的問題

(1) 缺乏基于3D打印技術(shù)教學(xué)思維的轉(zhuǎn)化。3D打印技術(shù)不僅為職業(yè)教育帶來教育教學(xué)手段的變化，更重要的是帶來職業(yè)教育思維的變化。職業(yè)院校的教師目前缺乏基于3D打印技術(shù)教學(xué)思維的轉(zhuǎn)化，沒有好好思考如何讓3D打印技術(shù)滲透、融合到教學(xué)中去，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，充分發(fā)揮3D打印主導(dǎo)的技術(shù)優(yōu)勢提高教學(xué)質(zhì)量。部分職業(yè)院校斥資購買3D打印機，然而卻沒有使機器真正投入使用，3D打印機使用效率低，純粹是擺設(shè)。有3D打印設(shè)備不代表有應(yīng)用3D打印技術(shù)的意識，教師在課堂上仍然使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，如對模型的講解采用平面掛圖、教具模型，以及多媒體技術(shù)，卻沒有考慮使用3D打印技術(shù)。有些老師使用3D打印機打印教具輔助教學(xué)，但僅僅從“教”的角度出發(fā)，沒有從學(xué)生“學(xué)”的角度出發(fā)，沒有讓學(xué)生參與到3D打印過程中去實踐，去體驗，去探索，去反思，讓學(xué)生從3D打印這個實踐性非常強的活動中更好地掌握知識，提高專業(yè)技能。當(dāng)然，這和3D打印設(shè)備價格貴，操作不便利，維護(hù)維修困難有關(guān)，這在一定程度上影響了3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

(2) 缺乏與專業(yè)知識的緊密結(jié)合。很多職業(yè)院校知道3D打印技術(shù)，卻不知如何應(yīng)用到專業(yè)中，如何與專業(yè)知識進(jìn)行有機結(jié)合[5]。大部分實踐教學(xué)應(yīng)用3D打印技術(shù)還停留在初級階段，主要向?qū)W生介紹3D打印技術(shù)的原理、特點、幾種主流3D打印方式(FDM，SLS，SLA，LOM)的成型方法、工藝特點等。學(xué)生進(jìn)行的實踐主要是學(xué)習(xí)3D打印機的操作方法，能夠打印一些簡單的物體。而部分提高階段的教學(xué)，主要讓學(xué)生利用光學(xué)掃描儀對物體表面進(jìn)行掃描，采集數(shù)據(jù)后通過逆向重建軟件獲得物體的三維模型，然后使用3D打印機實現(xiàn)物體的快速制造[6]。這些應(yīng)用3D打印技術(shù)的實踐教學(xué)總體來說比較側(cè)重于讓學(xué)生了解、學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)的操作方法與步驟，而與專業(yè)知識的結(jié)合還不夠緊密。能將3D打印技術(shù)融入機械零件設(shè)計、模具制造、服飾珠寶、汽車維修與保養(yǎng)等專業(yè)實踐教學(xué)[7-9]，使3D打印技術(shù)與專業(yè)知識相結(jié)合，提高學(xué)生專業(yè)技能，優(yōu)化教學(xué)效果的實踐課程相對來說還比較少。

(3) 缺乏與崗位需求的深度對接。職業(yè)教育的目的是滿足工作崗位的客觀需要，教師應(yīng)以職業(yè)崗位需求作為導(dǎo)向，以勝任崗位要求作為出發(fā)點進(jìn)行對應(yīng)課程的開發(fā)研究[10]，培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的人才。但目前應(yīng)用3D打印技術(shù)的實踐課程缺乏與崗位需求的深度對接。國家制造業(yè)信息化培訓(xùn)中心辦主任魯君尚認(rèn)為高校和職業(yè)院校的3D教育與企業(yè)應(yīng)用需求有差距。一些職業(yè)院校開展3D打印技術(shù)的實驗實訓(xùn)課程，其目的是介紹和推廣這項新技術(shù)，還談不上與崗位需求接軌。另外一些職業(yè)院校雖然在實踐教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，并將3D打印技術(shù)與專業(yè)知識進(jìn)行一定程度的結(jié)合，主要為了拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生的動手能力，豐富教學(xué)內(nèi)容，改善教學(xué)質(zhì)量，卻與企業(yè)崗位需求聯(lián)系不密切。教師沒有對使用先進(jìn)制造技術(shù)的企業(yè)作深入的調(diào)研，了解其技術(shù)崗位，管理崗位對人才的要求，因此無法設(shè)計和開發(fā)出面向企業(yè)需求的3D打印技術(shù)實訓(xùn)內(nèi)容和項目。

2 3D打印實訓(xùn)教學(xué)

針對上述問題，結(jié)合當(dāng)前3D打印技術(shù)人才需求狀況，我們將3D打印技術(shù)融入傳統(tǒng)制造類專業(yè)(如機械制造與自動化、模具設(shè)計與制造、汽車制造與裝配技術(shù)等)的實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使3D打印技術(shù)與項目實訓(xùn)內(nèi)容有機結(jié)合，讓學(xué)生在面向生產(chǎn)，面向制造的職業(yè)技能訓(xùn)練中學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，并能應(yīng)用于解決生產(chǎn)實際問題。教師設(shè)計和開發(fā)面向企業(yè)崗位需求的實訓(xùn)項目，使之具有創(chuàng)新性及應(yīng)用前景，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中探索如何應(yīng)用3D打印技術(shù)去解決生產(chǎn)制造過程中的一些實際問題，達(dá)到學(xué)以致用。傳統(tǒng)制造類專業(yè)的學(xué)生一般都具有智能數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)，比較容易掌握3D打印操作。學(xué)生在融入3D打印技術(shù)的專業(yè)實訓(xùn)中既掌握了3D打印技術(shù)又學(xué)會如何應(yīng)用于專業(yè)制造領(lǐng)域。這種面向智造，面向企業(yè)需求的實訓(xùn)培養(yǎng)出來的3D打印技術(shù)應(yīng)用型人才在實際工作中能利用3D打印技術(shù)改善當(dāng)前生產(chǎn)制造的某些問題，為企業(yè)創(chuàng)造收益[11]，真正實現(xiàn)3D打印技術(shù)與職業(yè)教育的融合。

快速成型技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是珠江三角洲現(xiàn)代模具企業(yè)普遍采用“模具數(shù)字建模設(shè)計與制造技術(shù)”，包括：產(chǎn)品造型數(shù)字化設(shè)計、模具數(shù)字化設(shè)計、模具成型零件數(shù)字化加工等先進(jìn)技術(shù)。然而大部分模具企業(yè)中，技術(shù)人員分為產(chǎn)品造型設(shè)計人員和模具設(shè)計人員，產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計各自獨立，造成產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合模具成型加工的工藝性，無法用模具實現(xiàn)批量生產(chǎn)。鑒于此，我們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機電專業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)環(huán)節(jié)。該實訓(xùn)與崗位需求相結(jié)合，立足于模具行業(yè)對人才的職業(yè)技能要求[12]，讓學(xué)生在面向生產(chǎn)與制造的職業(yè)技能訓(xùn)練中掌握3D打印技術(shù)及其應(yīng)用，懂得利用3D打印技術(shù)解決生產(chǎn)實際問題，實現(xiàn)3D打印技術(shù)人才需求與職業(yè)院校3D打印教育的無縫對接[5]。

工業(yè)領(lǐng)域和人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N塑料制品，如電器蓋、肥皂盒等是通過塑料模具制造出來的。對這些產(chǎn)品進(jìn)行外形設(shè)計時必須考慮塑料零件的結(jié)構(gòu)工藝性，以保證順利成型。只有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足成型工藝要求，才能設(shè)計出合理的模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)行批量生產(chǎn)。塑料零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中對壁厚、斜度、加強筋、支承面、圓角、孔等的設(shè)計要求有：在保證產(chǎn)品功能的前提下，零件的幾何形狀應(yīng)盡可能使其對應(yīng)的模具簡單，便于加工，因而內(nèi)外表面應(yīng)盡量避免側(cè)孔、側(cè)凹或與零件脫模方向垂直的孔；薄殼狀零件可設(shè)計成球面或拱形曲面以便有效地增加剛性，減少變形；或在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置加強筋增加整體強度和剛度，防止變形。但加強筋的布置要均勻，以免引起應(yīng)力變形；零件上兩個孔的間距或孔的邊距小于規(guī)定數(shù)值時，應(yīng)將兩個孔聯(lián)通或采用凸邊予以加強……

產(chǎn)品的外觀設(shè)計是決定產(chǎn)品能否暢銷的因素之一。以非接觸式測溫儀(手持式紅外測溫儀)為例，其外形是像“槍”的“倒L形”，外殼零件主要有左外殼、右外殼、液晶屏保護(hù)窗、測量扳機等(如圖1)。為使測溫儀的外形受女性和兒童的歡迎，外殼可根據(jù)倒L形設(shè)計成海豚、史努比、喇叭等造型。另一方面，由于該外殼是塑料件，需要通過模具制造出來，因此設(shè)計人員進(jìn)行外殼設(shè)計時既要注重產(chǎn)品的創(chuàng)意，也要考慮其結(jié)構(gòu)工藝性以滿足成型工藝要求。

圖1 非接觸式測溫儀

我校工業(yè)實訓(xùn)中心擁有SLA(光固化快速成型)和FDM(熔融沉積成型)兩種類型的3D打印機。FDM成型機操作比較簡單，對導(dǎo)入的模型可以自動添加支撐，材料利用率高，因此本實訓(xùn)主要使用這種3D打印機，如圖2所示。在實訓(xùn)課上，首先讓學(xué)生按自己的創(chuàng)意及想法設(shè)計測溫儀外殼的外形，并手工繪制外殼草圖，然后通過3D造型軟件進(jìn)行數(shù)字建模，再用3D打印機打印出來，如圖3喇叭型的外殼。由于有了實體模型，學(xué)生無論是自己還是與老師一起根據(jù)產(chǎn)品造型分析其結(jié)構(gòu)工藝性的設(shè)計都很方便、很直觀。將打印出來的3D模型與真實的測溫儀對比，可以看到左右外殼必須組裝在一起，因此需要在手柄部分設(shè)置連接孔，方便緊固連接。此外手柄上還需要有安裝測量扳機的孔。另一方面，喇叭形外殼上有弧形的部分是強度、剛性薄弱處，裝拆左右外殼時容易導(dǎo)致其開裂變形損壞，此處需要設(shè)置加強筋。學(xué)生在打印出來的3D測溫儀外殼基礎(chǔ)上，根據(jù)上述分析，按照塑料零件結(jié)構(gòu)工藝性要求對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行設(shè)計。

(a)左外殼(b)右外殼

圖2 FDM成型機 圖3 非接觸式測溫儀外殼模型

學(xué)生對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計后再次打印出3D實體模型，如圖4所示，在外殼內(nèi)表面有弧度的地方添加肋板，增加零件的強度和剛度，防止變形。并且多個肋板分布均勻，防止引起應(yīng)力變形。另外在外殼的手持部分添加了緊固連接孔和安裝孔。

學(xué)生按照零件結(jié)構(gòu)工藝性要求修改之前的設(shè)計并打印出3D實體模型后，教師通過實體模型能方便、快捷、精準(zhǔn)地評判其是否符合模具成型加工的工藝性，再進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)，改進(jìn)設(shè)計。譬如圖4外殼手持部分靠上的兩個安裝孔，一般是用模具的型芯成型，而此處兩個孔的間距小于規(guī)定的數(shù)值，將不利于成型和脫模，可將兩孔設(shè)計成聯(lián)通孔的結(jié)構(gòu)形式，利于零件成型。學(xué)生按教師提出的意見再次修改設(shè)計，重新打印出來的外殼如圖5所示。

整個實訓(xùn)過程讓學(xué)生通過設(shè)計、3D打印、分析、修改、再3D打印、再分析、再修改……進(jìn)行反復(fù)的實操，最終設(shè)計出合理和美觀的產(chǎn)品。學(xué)生通過這樣的實訓(xùn)既掌握了3D打印技術(shù)又學(xué)會了如何應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，解決實際問題。

3 結(jié) 語

3D打印技術(shù)融入產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)具有如下優(yōu)勢：

圖4 修改后的外殼模型圖5 再次修改后的外殼模型

(1) 提高學(xué)生的工程實踐能力。3D打印是一個實踐性非常強的活動，美國“經(jīng)驗之塔”理論認(rèn)為3D打印活動提供了豐富的“做的經(jīng)驗”，幫助學(xué)習(xí)者感受數(shù)據(jù)采集、物化設(shè)計等“制造性學(xué)習(xí)”過程[3，13]。在實訓(xùn)中，3D打印使學(xué)生的設(shè)計想法快速實現(xiàn)可視化，在不用開模具的情況下制作出實體原型，學(xué)生通過實體原型容易發(fā)現(xiàn)不符合模具成型工藝性的設(shè)計并進(jìn)行改進(jìn)，由此掌握模具成型工藝特點對產(chǎn)品造型設(shè)計的要求[12]，設(shè)計出更好的產(chǎn)品。學(xué)生在職業(yè)技能訓(xùn)練過程中一邊學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，一邊學(xué)習(xí)如何將其應(yīng)用在相關(guān)制造領(lǐng)域，達(dá)到學(xué)以致用。這樣的實訓(xùn)符合“從實踐中來，回到實踐中去”的原則，將極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與積極性，從而提高他們的工程實踐能力[14]。

(2) 增強學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。在實訓(xùn)中，學(xué)生通過3D實體模型能很方便、很直觀地與老師或同學(xué)一起根據(jù)產(chǎn)品的造型分析其結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。學(xué)生由此懂得3D打印出來的實體原型能在產(chǎn)品設(shè)計與加工工藝之間搭建溝通的橋梁，減少產(chǎn)品設(shè)計討論過程中的溝通障礙，并增加產(chǎn)品可行性評估與驗證的可靠性。以后學(xué)生在實際工作中遇到類似的問題，可以觸類旁通，利用3D打印出來的實體模型與其他技術(shù)人員或客戶進(jìn)行直觀的溝通，更快更好地解決問題。通過該實訓(xùn)，學(xué)生掌握了如何使用 3D 打印技術(shù)來輔助產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計和工藝改進(jìn)。這樣的實訓(xùn)拓寬了學(xué)生解決問題的思路，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生懂得靈活地把3D打印技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)和制造過程中的方方面面。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。融入3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)與專業(yè)課程緊密結(jié)合，面向企業(yè)崗位需求，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。學(xué)生在面向生產(chǎn)，面向制造的職業(yè)技能訓(xùn)練中學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，是以解決行業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)或制造方面的問題為目的，在任務(wù)和問題驅(qū)動下進(jìn)行“做中學(xué)”活動，具有較強的針對性，更能激發(fā)他們的探索欲望，提高學(xué)習(xí)的專注度，并在實踐中發(fā)揮創(chuàng)造力。學(xué)生通過實訓(xùn)掌握3D打印技術(shù)并能應(yīng)用于專業(yè)制造領(lǐng)域，在未來崗位工作中將能利用3D打印技術(shù)解決一些實際問題，進(jìn)一步提高3D打印技術(shù)的應(yīng)用水平。

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Practical Teaching of Product Development and Mold Design Based on 3D Printing Technology

YANG Nanyue, ZHOU Min, LI Zhengming

(Industrial Training Center, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

Under the background of “China manufacturing 2025”, the demand of manufacturing for the talent of 3D printing technology is very large. From the point of view of vocational education, this paper analyzes the existing problems of the application of 3D printing technology in practical teaching. Then the paper proposes integrating 3D printing technology into the traditional manufacturing professional practice teaching, which will let students learn 3D printing technology in vocational skills training processes. This could make students master the application of 3D printing technology and know how to solve practical problems in production. The product development and mold design practical teaching based on 3D printing technology is taken as an example. Practice proves that this practical teaching combines with enterprise post, and it plays an active role on cultivating 3D printing technology application-oriented talents.

3D printing technology; product development; mold design; practical teaching; vocational education

2016-10-25

2015年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類(教育科學(xué)研究)項目：3D打印技術(shù)在珠三角地區(qū)職業(yè)教育中的應(yīng)用研究(2015GXJK079)

楊南粵(1977-)，女，廣東廣州人，碩士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)，職業(yè)教育。

Tel.：13380091123;E-mail:gsyny@gpnu.edu.cn

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1006-7167(2017)08-0243-04