基于3D打印培養高職生創新能力的探索與實踐

林雪冬++孫建++葉京川

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.142

摘 要：本文將3D打印技術應用到《機械CAD/CAM》課程的教學之中，通過實例讓學生體會從創新設計到3D打印實現創意的全過程，培養高職生在學習《機械CAD/CAM》課程中應用UG軟件進行3D創意、3D設計以及3D造型的興趣和動力，激發學生的創新意識，在實踐中探索3D打印在培養高職生創新能力方面的積極作用。

關鍵詞：3D打印 創新能力 UG；機械CAD/CAM

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0142-02

3D打印，以經過智能化處理后的3D數值模型為基礎，通過逐層增加材料的方式來構造任意復雜的3D實體形狀[1]。其中，三維數字模型（建模）是基礎；而高職課程《機械CAD/CAM》中CAD部分的學習恰是利用各種造型軟件進行三維造型。課程的學習是基礎，而3D打印使模型具象化，是動力，二者互為支撐，實現有機的結合。從現實的教學效果來看，在涉及利用三維軟件進行自主創新設計時學生們往往顯得力不從心，這就提醒我們在教給學生基本的工具使用方法外，更需要重視培養學生的創新設計能力，而3D打印為我們提供了這樣一個平臺。在國外，3D打印已經成為一種時尚[2-4]。目前，國內不少本科院校機械類專業已組建3D打印實驗室，將3D打印引進課堂，舉辦基于創新設計的3D打印大學生技能比賽[5]。

為此，在進行《機械CAD/CAM》課程的講授時，為了培養學生的創新能力，我們不妨可以將3D打印作為實現學生創新創意的平臺，對同學因勢利導，激發他們進行產品造型設計的創作熱情，進而培養其創新能力。

1 3D打印工作原理與特點

1.1 工作原理

3D打印是快速成型技術的一部分，它是一種以數字模型文件為基礎，運用各種不同形態的（粉末狀、絲狀、液狀）金屬、塑料或樹脂等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術[1]。

打印所需的模型文件可通過三維軟件（如UG、CATIA、Pro/E等）建模，或使用3D掃描儀直接進行掃描、逆向建模。模型文件導入機器后，需要進行模型的分層處理，一般是借助切片軟件對模型數據進行逐層分切，獲取每層的截面信息。切片軟件一般由各個3D打印機生產廠商獨立開發，適用于一類機型。

1.2 特點分析

與傳統技術相比，3D打印具有如下特點與優勢：（1）由于無需生產線及各加工設備，降低了成本；（2）由于是增材制造，減少了材料浪費；（3）可以制造出傳統生產技術無法制造出的外形及復雜型腔；（4）可以實現個性化產品的定制；（5）極大的減輕產品重量；（6）產品研發周期縮短。

2 3D打印培養高職生創新能力的探索

通過前期教學發現同學們在應用三維軟件（以UG為例）進行建模時出現一些問題，歸納如下：

（1）可以利用常見的基本命令進行簡單模型的創建，而一旦涉及到相對復雜的曲面建模則比較棘手；

（2）缺乏主動學習三維建模的熱情，只是簡單完成老師布置的基本任務；

（3）沒有自主進行創意設計的意識。

調查發現，廣大學生在學習三維建模過程中通常不會主動去思考創新創意問題。將3D打印技術融入《機械CAD/CAM》課程的講授中，培養高職生創新能力是一種新的嘗試與探索。

進行高職生創新能力的培養，針對的對象應該是一個群體，即那些對于三維建模有著濃厚興趣的同學，這一創新能力培養模式的實踐時間及場所應該是在課堂以外，不應影響正常的教學活動。以《機械CAD/CAM》的教學為例，具體實施時，首先是要在機制專業建立一個創新學習小組，以學生的自愿報名為前提，以第二創新課堂為學習場所，利用課外時間進行創新能力的學習及培養。具體而言，以《機械CAD/CAM》的教學為例，可以按照以下步驟操作：

（1）在闡明創新學習小組的學習內容及意義后，面向機制專業所有同學，以學生的自愿報名為主，建立創新學習小組；

（2）開展創新學習課堂教育，以3D打印技術作為新鮮元素，在學習過程中進行有機的聯系，鼓勵學生進行創作。如：在進行機械零部件的三維建模時，可以引導學生進行一些相對復雜但又能引起學生興趣的產品的造型、創作，比如“鋼鐵俠”的頭盔，或者是學生們自己設計出來的一款獨特的“水杯”；

（3）在條件允許的情況下，通過3D打印技術，將學生自己設計并建立出來的數字模型打印成真實產品。讓學生充分體會從模型設計到打印出產品的成就感，從而激發學生的自主創新意識和熱情；

（4）學生交流展示自己設計并打印的工業產品，激發創新意識，培養創新能力。如此，廣大學生不僅能夠熟練掌握一門三維造型軟件，更加重要的是給他們種下了一顆具有自主創新意識的種子。

將3D打印作為實現創新創意的載體，可以是不同領域、不同產品的創新，這就意味著學生的創新創意也可以是多領域的。可以想象，學生為了能夠實現個性化的獨特的產品的打印，勢必要主動進行創新活動，而在產品的三維建模過程中學生必將主動學習相關的建模操作命令。可見，引入3D打印技術這一新元素，既完成了學生創新創意的有效引導，培養了學生的創新能力，同時又帶動學生主動進行《機械CAD/CAM》課程的學習。

3 3D打印培養高職生創新能力的具體實踐

3.1 水杯的創新設計

在機械CAD/CAM課程的講授過程中，當學生完成了基本的草圖繪制及常見的實體拉伸等命令的學習后，可以通過具體實例訓練大家的熟練程度，并且，可以將創新意識慢慢植入學生的學習之中。以日常生活用品水杯為例，我們常見的水杯都是圓形杯身，耳朵狀杯柄。現在我們完全可以根據自己的喜好，在滿足水杯裝水的基本功能后大膽創新，利用UG繪制完全不一樣的水杯。如圖1（a）所示，為創新設計后的水杯杯身，杯柄。可以看到，杯身變成了圓弧形成的曲面形狀，而杯柄則由傳統的耳朵狀、封閉式變成了自由開放式，這樣的改變使得水杯這樣簡單的生活用品更具個性化。建模過程具體如下：endprint

（1）草繪構建杯身截面圖，旋轉形成杯身實體；

（2）繪制杯柄軌跡作為引導線，繪制橢圓作為掃掠截面。掃掠形成杯柄；

（3）薄壁形成中空的水杯；

（4）平行于杯身截面圖新建一個平面，在新建的平面上利用文本輪廓命令寫漢字，并利用曲面處理選項卡下面的投影命令將文字投影至杯身曲面上。對文字進行法向拉伸，形成立體文字；

（5）將模型保存，并導出“.stl”格式，準備后續3D打印。

3.2 水杯實物打印

模型建立完成后即可導入到3D打印機中進行打印。本文采用學院3D打印中心的UPMini 208550設備打印制作水杯，該設備提供多種打印模式，本例中采用電腦連接3D打印機并脫機打印的方式。圖1（b）所示為水杯打印過程，打印完成后的水杯實物如圖1（c）所示。

4 結語

基于3D打印技術平臺，在學習《機械CAD/CAM》課程中創建第二課堂，組建創新學習小組，在完成專業知識學習的同時，通過引入3D打印新興技術，激發學生的創新創作熱情，培養高職學生的創新能力和自主學習行為，轉變目前以教為主到以學為主的學習模式，激發學生的學習熱情，不斷提高學生的自主創新意識。學生在主動參與、善于思考的過程中提高了管理能力、動手能力和創新創意設計能力。

參考文獻

[1] 吳懷宇.3D打印：三維智能數字化創造[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2] Steve Wilkinson，Nick Cope. Chapter 10—3D Printing and Sustainable Product Development [J].Green Information Technology， 2015（161）：183.

[3] Christian Weller， Robin Kleer， Frank T.Piller. Economic implications of 3D printing：Market structure models in light of additive manufacturing revisited[J].International Journal of Production Economics，2015（164）：43-56.

[4] Nanyang Technological University. New center to host Singapores first international 3D printing competition [EB/OL].http：//www.3ders.org/articles/20131217-ntu-sing

apore-holds.

[5] 王雪瑩.3D打印技與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012（62）：3-5.endprint