基于3D打印培養(yǎng)高職生創(chuàng)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(shù)應(yīng)用到《機(jī)械CAD/CAM》課程的教學(xué)之中，通過實例讓學(xué)生體會從創(chuàng)新設(shè)計到3D打印實現(xiàn)創(chuàng)意的全過程，培養(yǎng)高職生在學(xué)習(xí)《機(jī)械CAD/CAM》課程中應(yīng)用UG軟件進(jìn)行3D創(chuàng)意、3D設(shè)計以及3D造型的興趣和動力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，在實踐中探索3D打印在培養(yǎng)高職生創(chuàng)新能力方面的積極作用。

關(guān)鍵詞：3D打印 創(chuàng)新能力 UG；機(jī)械CAD/CAM

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

3D打印，以經(jīng)過智能化處理后的3D數(shù)值模型為基礎(chǔ)，通過逐層增加材料的方式來構(gòu)造任意復(fù)雜的3D實體形狀[1]。其中，三維數(shù)字模型（建模）是基礎(chǔ)；而高職課程《機(jī)械CAD/CAM》中CAD部分的學(xué)習(xí)恰是利用各種造型軟件進(jìn)行三維造型。課程的學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，而3D打印使模型具象化，是動力，二者互為支撐，實現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合。從現(xiàn)實的教學(xué)效果來看，在涉及利用三維軟件進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計時學(xué)生們往往顯得力不從心，這就提醒我們在教給學(xué)生基本的工具使用方法外，更需要重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)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(jīng)成為一種時尚[2-4]。目前，國內(nèi)不少本科院校機(jī)械類專業(yè)已組建3D打印實驗室，將3D打印引進(jìn)課堂，舉辦基于創(chuàng)新設(shè)計的3D打印大學(xué)生技能比賽[5]。

為此，在進(jìn)行《機(jī)械CAD/CAM》課程的講授時，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，我們不妨可以將3D打印作為實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意的平臺，對同學(xué)因勢利導(dǎo)，激發(fā)他們進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計的創(chuàng)作熱情，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

1 3D打印工作原理與特點(diǎn)

1.1 工作原理

3D打印是快速成型技術(shù)的一部分，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種不同形態(tài)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(gòu)造物體的技術(shù)[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(jìn)行掃描、逆向建模。模型文件導(dǎo)入機(jī)器后，需要進(jìn)行模型的分層處理，一般是借助切片軟件對模型數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)生產(chǎn)廠商獨(dú)立開發(fā)，適用于一類機(jī)型。

1.2 特點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印具有如下特點(diǎn)與優(yōu)勢：（1）由于無需生產(chǎn)線及各加工設(shè)備，降低了成本；（2）由于是增材制造，減少了材料浪費(fèi)；（3）可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形及復(fù)雜型腔；（4）可以實現(xiàn)個性化產(chǎn)品的定制；（5）極大的減輕產(chǎn)品重量；（6）產(chǎn)品研發(fā)周期縮短。

2 3D打印培養(yǎng)高職生創(chuàng)新能力的探索

通過前期教學(xué)發(fā)現(xiàn)同學(xué)們在應(yīng)用三維軟件（以UG為例）進(jìn)行建模時出現(xiàn)一些問題，歸納如下：

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

（2）缺乏主動學(xué)習(xí)三維建模的熱情，只是簡單完成老師布置的基本任務(wù)；

（3）沒有自主進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計的意識。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廣大學(xué)生在學(xué)習(xí)三維建模過程中通常不會主動去思考創(chuàng)新創(chuàng)意問題。將3D打印技術(shù)融入《機(jī)械CAD/CAM》課程的講授中，培養(yǎng)高職生創(chuàng)新能力是一種新的嘗試與探索。

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

（1）在闡明創(chuàng)新學(xué)習(xí)小組的學(xué)習(xí)內(nèi)容及意義后，面向機(jī)制專業(yè)所有同學(xué)，以學(xué)生的自愿報名為主，建立創(chuàng)新學(xué)習(xí)小組；

（2）開展創(chuàng)新學(xué)習(xí)課堂教育，以3D打印技術(shù)作為新鮮元素，在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)系，鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)作。如：在進(jìn)行機(jī)械零部件的三維建模時，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一些相對復(fù)雜但又能引起學(xué)生興趣的產(chǎn)品的造型、創(chuàng)作，比如“鋼鐵俠”的頭盔，或者是學(xué)生們自己設(shè)計出來的一款獨(dú)特的“水杯”；

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

（4）學(xué)生交流展示自己設(shè)計并打印的工業(yè)產(chǎn)品，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。如此，廣大學(xué)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(chuàng)新意識的種子。

將3D打印作為實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)意的載體，可以是不同領(lǐng)域、不同產(chǎn)品的創(chuàng)新，這就意味著學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意也可以是多領(lǐng)域的。可以想象，學(xué)生為了能夠?qū)崿F(xiàn)個性化的獨(dú)特的產(chǎn)品的打印，勢必要主動進(jìn)行創(chuàng)新活動，而在產(chǎn)品的三維建模過程中學(xué)生必將主動學(xué)習(xí)相關(guān)的建模操作命令。可見，引入3D打印技術(shù)這一新元素，既完成了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意的有效引導(dǎo)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時又帶動學(xué)生主動進(jìn)行《機(jī)械CAD/CAM》課程的學(xué)習(xí)。

3 3D打印培養(yǎng)高職生創(chuàng)新能力的具體實踐

3.1 水杯的創(chuàng)新設(shè)計

在機(jī)械CAD/CAM課程的講授過程中，當(dāng)學(xué)生完成了基本的草圖繪制及常見的實體拉伸等命令的學(xué)習(xí)后，可以通過具體實例訓(xùn)練大家的熟練程度，并且，可以將創(chuàng)新意識慢慢植入學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xiàn)在我們完全可以根據(jù)自己的喜好，在滿足水杯裝水的基本功能后大膽創(chuàng)新，利用UG繪制完全不一樣的水杯。如圖1（a）所示，為創(chuàng)新設(shè)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(tǒng)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(gòu)建杯身截面圖，旋轉(zhuǎn)形成杯身實體；

（2）繪制杯柄軌跡作為引導(dǎo)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(jìn)行法向拉伸，形成立體文字；

（5）將模型保存，并導(dǎo)出“.stl”格式，準(zhǔn)備后續(xù)3D打印。

3.2 水杯實物打印

模型建立完成后即可導(dǎo)入到3D打印機(jī)中進(jìn)行打印。本文采用學(xué)院3D打印中心的UPMini 208550設(shè)備打印制作水杯，該設(shè)備提供多種打印模式，本例中采用電腦連接3D打印機(jī)并脫機(jī)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(jié)語

基于3D打印技術(shù)平臺，在學(xué)習(xí)《機(jī)械CAD/CAM》課程中創(chuàng)建第二課堂，組建創(chuàng)新學(xué)習(xí)小組，在完成專業(yè)知識學(xué)習(xí)的同時，通過引入3D打印新興技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)作熱情，培養(yǎng)高職學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)行為，轉(zhuǎn)變目前以教為主到以學(xué)為主的學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不斷提高學(xué)生的自主創(chuàng)新意識。學(xué)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(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計能力。

參考文獻(xiàn)

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[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.

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apore-holds.

[5] 王雪瑩.3D打印技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（62）：3-5.endprint