快速原型技術在工業設計實踐教學中的應用研究

文宏

[摘 要] 快速原型技術是20 世紀 80 年代末期開始的一種集機械、電子、光學、材料等學科為一體的先進制造技術之一。快速原型技術在工業設計實踐教學中的應用日趨廣泛。為了培養學生的創新能力，提高學生的動手能力，在工業設計實踐教學中開設快速原型實訓課程，并根據學生專業和層次的不同安排了不同的課程內容，有效開拓了學生的視野，取得了良好的教學效果。概述快速原型技術，說明快速原型技術在工業設計實踐教學中應用的重要性，闡述快速原型技術應用于工業設計實踐教學的具體應用策略。

[關 鍵 詞] 快速原型技術；工業設計；實踐教學；應用

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）02-0026-02

隨著經濟的快速發展，市場競爭意識不斷提高，不斷開發物美價廉的工業產品已成為企業生存和發展的基本手段。傳統的產品開發過程缺乏與市場的交互性和各環節的并行性，難以適應市場快速變化的需要。目前發展迅速的快速原型制造技術是1979年東京大學的中川威雄教授利用分層技術制造了金屬沖裁模、成型模和注塑模。20世紀70年代末，日本的小玉秀男首次提出了利用連續層的選區固化制作三維實體的新思想。在工業設計實踐教學中應用快速原型技術，不但拓寬了工業設計實踐的范圍，而且能有效提升大學生的實踐能力。

一、快速原型技術概述

快速原型技術是20世紀90年代在計算機輔助制造技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的，其類似于數學上的積分過程。形象地講，快速成形系統不僅對促進企業產品創新、減少新產品開發成本，而且還能提高產品競爭力。快速原型技術可快速成型任意復雜的三維幾何實體，不受傳統加工方法中道具無法到達某些形面的限制，它不僅在制造業的產品造型和模具設計中應用的范圍越來越廣泛，同時也逐漸應用于醫學方面。

目前，信息采集、數據處理和監控軟件等高度集成化，盡管軟件系統中存在許多缺陷和不足，但其本身已經逐漸向大型制造和微型制造進軍。隨著人們對各類物件的需求愈來愈高，新產品的研發也隨之不斷更新加快。快速原型制造技術（RPM）可以較快制造出任意形狀的三維化模型實物，信息制造過程中以全息生長元為基礎的智能材料自主生長方式是RPM的新里程碑，快速原型技術會被越來越多的企業所采用。按原型的制造原理，將原本的三維模型變成了分層層片，使樹脂材料在計算機控制下的紫外激光使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應形成一個固體薄層截面，進而進行新一層掃描、固化，如此重復直至整個原型制造完畢。快速原型制造技術對工業制品而言，具有優質、高效、低耗、清潔生產的特點。

二、快速原型技術在工業設計實踐教學中應用的重要性

（一）讓工業設計實踐教學富有特色

工業設計實踐教學快速成型不同于傳統的用材料去除方式制造零件的方法，而是利用所要制造零件的三維CAD模型數據直接生成產品原型。且CAD模型后不像傳統的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，有效縮短了產品開發周期，控制了開發成本。隨著計算機技術的快速發展，已經廣泛應用于航空、汽車、醫療、電子、家電、玩具、軍工設備、工業雕刻等領域。快速原型技術在工業設計實踐教學中的應用使設計教學更加鮮明，促進了大學生實踐動手能力和實踐創新能力的提高，提高了大學生的實踐能力和科研能力。

（二）有效提升實踐教學質量

使用快速原型技術，雖然教師在上課之前需要花費大量的時間和精力去做教學所需的文件，但借助該技術能使工業設計要講的內容簡單化、清晰化。因工業設計實踐教學的創作受到多方面因素的影響，諸如工業環境、材料因素，快速原型技術的應用使教師在課前精心準備的課件能大量節約課上有限的時間，從而提高課堂效率。

（三）有助于培養學生的從業素養

工業設計實踐教學往往需要在現場實時進行，讓學生置身于模擬環境中，使學生體驗到真實的設計過程。在工業設計實踐教學過程中，學生主動地、自覺地在參與，使學生主體作用突出。實踐教學不但凸顯了對學生工業倫理、道德水平等方面的培養，而且對整個世界的工程技術教育產生了深遠影響。

三、快速原型技術在工業設計實踐教學中的應用

（一）明確應用范圍

利用快速原型技術可節省大量人力、物力、財力，尤其在新品開發、小批量生產、試生產等場合，可利把握市場反應，對確保新產品開發的成功率具有重要價值。快速原型制造技術給人以美的享受和精神的陶冶。為珍稀工業品的復制、工業品形式的多樣化提供了有力工具。工業設計教學中，絕大多數時間力求三維表達的準確而作逐步修正以及工業產品制作過程中因各種失誤造成殘缺而從頭反復。當采用快速原型制造技術時，教師直接通過快速原型制造系統快速制作三維物化作品，判斷構思的合理性和作品表達自己思想的準確性。可將原作品所用成型材料再生后又用于新的修改作品制作，最后通過快速的添加法直接成型、三維雕刻、噴涂、制模等途徑完成，可大幅減少設計費用。

（二）創設設計形式

工業實踐教學中利用快速原型制造技術，可以賦予工業設計的多樣化教學形式。如以繪畫形式構建初產品三維形態，進而用快速原型制造系統制作出低成本、直接成型的產品。在此基礎上形成原型的幾何造型與物理性態的構建、分析為一體的CAD綜合構型模塊。在三維CAD模型構建的思路上對已有產品的構型、材料等信息進行采掘，從而有效拓寬學生的視野。首先是構建快速成型實驗室，快速成型是“卓越工程師教育培養計劃”中學生必須掌握的基本技能之一。快速成型本身適用于大學生的創新實踐活動，可以通過創新性的構思，把構思和設計變成現實作品。在實踐教學中，同一批零件尺寸會影響整體裝配。因此快速成型使用的材料成本與傳統加工工藝所使用的材料相比普遍較高，應用于日常實踐教學中給學校帶來了較重的負擔。由于課堂的實踐教學時間有限，快速成型的單個零件實際操作較短，在日常實踐教學中容易激發學生的積極性。其次是發揮學生自主能動性。快速原型技術的應用可以將一部分教學內容當成專題讓學生去制作，之后再講解自己所組織的內容。這時候學生就可以充分發揮自己的能動性，應用網絡技術查閱自己所需要的資料，通過文字、圖表、音頻、視頻等的組合形式呈現出完美的設計效果。

（三）構建應用體系

首先必須建立具有鮮明的有學科與專業特色的工業設計實踐環境，只有讓學生“親臨其境”，才能全面提高學生的工程意識。

工業設計實踐教學基本涵蓋了我們一切工作的出發點和落腳點，目前隨著先進制造技術及工藝個性化的人才培養理念的逐漸深入，教學模式要“學以致用，創新為魂”。快速原型技術符合各層次學生的實際能力水平，其以傳統工藝為基礎，進而培養創新型工程技術人才。要處理好傳統工藝與先進工藝的比例關系，一是要培養學生理論聯系實際的能力，二是發揮學生的潛力，提高學生的創新意識。課程設計階段，快速原型技術要實現多學科技術的交叉融合，利用信息創新實踐平臺實現全面的資源共享。

（四）拓寬實踐范圍

1.實現多學科的融合。隨著工業服務水平的不斷提高，各個學校各方面資源缺乏，考核缺乏層次性，從低年級到高年級，從基本知識應用到創新實踐操作。從知識由淺到深逐層的科學體系之間沒有明顯的梯度和層次。因此，工業設計實踐教學中學生無法真正體會到實踐教學帶來的成就感和挑戰性。傳統的工程訓練只以實訓技能為主，因實習器材得不到及時的更新、維護和保養，導致一些工業設計實踐教學無法開展。因此，為了減少促進工業設計實踐教學的跨度，實現工業設計與其他學科的融合，首先是構建快速原型技術與精益制造、敏捷制造等先進制造技術融合的平臺，工業設計實踐教學要以計算機數值模擬技術、控制工程技術和檢測技術與控制中心的理論知識為主體，利用信息技術把課程知識串接起來，不斷改進教學體系、教學內容、教學方法和教學手段。在實踐中注重設計項目的先進性、開放性、綜合性，進而設置不同的設計模塊和設計的發展思路，提高機組裝機組網等的實際操作技能，提高快速原型技術在工業設計實踐中的應用效果。

2.科學的運用。有的教師把所有的教學內容都凌駕于現代化教學技術上，一堂課就是跟著課件跑，甚至有的教師都沒有板書，實際上只是讓現代化技術手段充當講義和文稿的復印顯現功能。學生在學習過程中可能一開始會被教師新穎的教學形式所吸引，但當他們發現聽與視接受的都是同樣的信息時，新鮮感和興趣就會很快衰退。因此，在工業設計設計的實踐教學中，為了減輕自我神經功能的負擔，就要控制他們很自覺或不自覺地選擇單一的聽或單一的看作為接受信息的途徑，從而讓快速原型技術在工業設計實踐教學中得到合理應用。

四、總結

總之，快速原型技術在工業設計實踐教學中的應用豐富了大學生工程訓練的內容，形成了理論教學和創新實踐教學相結合的鮮明特色，從而顯著提高學生的實踐動手能力和實踐創新能力。

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