基于3D 打印技術的《三維造型設計》教學方法的研究

張 莎

（陜西能源職業技術學院機電與信息工程學院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

3D 打印技術可有效簡化產品從設計到制造的過程， 提高產品的生產效率， 是制造產業領域的新興技術。 而應用三維軟件進行產品的造型設計， 可以有效的改善產品的設計效率和精度， 三維造型設計也成為機械設計與制造的重要技術手段。 目前在高校課程教學中， 將3D 打印技術與三維造型設計相結合能夠幫助學生提高設計能力， 同時改善教師三維造型設計課程的教學效果。 本文主要分析和研究3D 打印技術在三維造型設計課程上的應用， 為三維造型設計課程的改革提供新的思路。

1 3D 打印在教學中的應用現狀

目前，3D 打印技術作為新興技術， 其在教育領域的應用， 受到了越來越多國家或組織的關注及探索研究。 英國教育部于2012 年開始探索3D 打印技術在教學方面的應用，他們選取21 所學校作為試點，開展了為期一年的試驗。 該項目與英國NCETM 機構和3D 打印機廠商合作，將3D 打印技術與數學、物理、計算機科學、工程和設計等課程相結合，探索3D 打印技術的教學應用。

美國國防高級研究計劃局(DARPA)制作實驗和拓展(MENTOR)項目為了培養高中生的一系列技能，并讓學生對科學、設計、制造等方面的相關課程更感興趣，該項目引進了3D 打印機，希望通過3D 打印機，促進學生順利完成產品從設計到制造的過程。

意大利理論物理國際研究中心(ICTP)通過免費的網上工具， 將數學課程中的等值曲面轉化為三維造型， 并結合3D 打印機打印出特別的藝術品或課堂教學所用的實物。 同時，在3D 打印過程中選擇多種打印材料（如塑料、陶瓷、金屬等），還可以增加數學的觀賞性和趣味性。 該研究將數字、設計及時尚相結合，通過3D 打印技術，使數學以藝術的形象展現給學生，增強了學生的學習興趣。

目前越來越多的學校或機構將3D 打印機引入課堂教學中，上海市靜安區青少年活動中心創意夢工廠也引進了3D 打印機以及3D 掃描儀。 并且開設相關課程，免費提供給對三維造型設計和制造感興趣的同學。

徐鼐、李志君等研究了3D 打印技術在塑膠加工成型及模具設計課程群教學改革中的應用探索， 實踐得出， 結合目前塑料加工成型及模具設計制造等課程在教學中所存在的一些問題， 通過將3D 打印技術引入到相關的教學活動中， 與傳統教學方法進行優化和整合，激發學生的學習熱情，強化教學效果，旨在培養具有創新精神和能力的卓越工程師和優秀科技人才。

周敏對基于3D 打印掃描的產品設計控制技術進行了研究，利用3D 打印掃描成像得出產品的信息，實現高分辨的產品圖像， 結合產品的質量管理建立產品技術的控制模型， 利用3D 打印掃描表達對產品技術進行控制， 在產品設計的過程中對技術的約束條件進行考慮,實現產品的高滿意度，并同時對產品的資源以及成本的約束進行考慮， 克服了傳統方法存在的弊端， 有效地提高了產品設計的精確度， 使產品的外觀表達的更清楚， 完成對產品設計控制技術的研究。 實驗結果表明， 利用所提方法能有效地提高產品設計的精確度。

2 3D 打印技術在高校三維造型設計教學中的應用策略與方法

機械學科的三維造型設計課程主要任務是培養既能熟練操作計算機三維軟件， 又能夠設計機械產品的高技能人才。該課程主要學習內容為以三維CAD/CAM軟件為工具實現產品造型設計。 目前教學過程中，我們所采用的教學模式是“多媒體+計算機”教學方式，用多媒體教學一般是綱要性的、 提示性的進行理論授課， 多媒體教學結合學生應用計算機操作， 老師給予輔導； 這種教學模式， 提高了學生對軟件的實際應用能力， 但在長期的教學實踐中發現該模式存在一定的缺陷： 學生設計的零件較隨意， 不能達到機械設計的功能或結構要求； 在達到上述要求的設計中， 所設計零件裝配過程中配合存在一定問題， 不能根據技術要求或使用要求設計出合理的零件。 在傳統的三維造型設計課程在教學過程中， 學生只能理論的掌握繪圖命令， 設計零部件， 但所設計的零部件與實際生產所需有較大差異， 并且缺乏學生興趣和自主設計能力；傳統的三維造型設計課程在教授過程中， 一般學習設計的方法、思路、原則以及三維軟件的操作，以概念性的內容為主，學生沒有實體視覺感受，此外，如果要將三維視圖制造為三維實體， 則需要高昂的費用及繁瑣的制造過程。 總體而言， 學生理論與實踐的結合性較差為其薄弱點。

為了改善學生理論與實踐的脫節，把3D 打印技術引入實踐教學環節，3D 打印技術（3DP）為快速成型技術(RPM)的一種，它是一種以數字模型(即三維造型軟件設計零件）為基礎，用金屬粉末或者PLA 等塑料為打印材料，通過將處理后的數字模型導入3D 打印機，經逐層打印的方式形成三維立體的物體。 目前，3D 打印機的用途非常廣泛，包括衣、食、住、行及生物醫藥等很多方面。3D 打印機因其分層制造的過程與普通的噴墨打印機很相似，所以也被通俗的稱為“打印機”。3D 打印機的打印步驟可以分為三維設計、 層片處理、打印機打印三個主要步驟。 引用3D 打印技術可以將學生設計的三維零件打印成實物， 從而讓他們直觀的發現設計中存在的錯誤或缺陷，從而加以改善。

將三維造型設計學習與3D 打印實訓相結合，采用教、學、做、評、賽一體化的課程設計方法，使學生完成從設計到生產成品的全過程。 在教學過程中， 應用三維造型軟件，學生分小組設計裝配體等模型，通過3D打印機，打印出成品，并進行評比。 通過3D 打印與三維造型設計課程的學習， 可以增加學生的學習興趣，加強學生對三維設計軟件的操作能力； 基本掌握3D打印技術， 使學生可熟練操作3D 打印機及Maker Bot處理軟件； 增強理論與實踐相結合的能力， 使學生可設計出滿足實際生產所需的零部件； 此外， 通過理實一體化教學可增強其動手能力、 提高其創新能力、改善其語言表達能力、并增加其團隊合作意識。

綜合上述分析， 三維造型設計課程以理實一體化的改革思路和設計方法來實現學生的培養任務，將3D打印實訓與三維造型軟件相結合， 為學生提供真實直觀的視覺感受， 同時提高學生的創新和動手能力，使他們在產品設計、 產品制造、 逆向工程等多方面得到綜合發展。 從而， 使高校能夠培養出更適合現在設計制造業的、掌握三維設計的實用性人才。

3 結束語

三維造型設計作為機械設計專業的專業課， 是各高校重點發展與培養的重要課程， 針對目前高校三維造型設計教學過程中存在的問題， 教師及學校要從實際出發， 在教學過程中不斷改善教學方式， 并且逐漸形成一套實用的有活力教學方法。3D 打印技術隨著新技術和新工藝的發展， 其潛質在逐漸的被開發利用，三維造型設計課程也得到了新的授課思路， 學校和教師應將傳統課程與新科技與新工藝相結合， 不斷更新3D 打印技術的應用策略， 三維造型設計課程體系，才能培養出更加優秀的掌握現代技術的行業人才。