基于數字建模和FDM打印技術的工業產品模型設計混合式教學應用

胡星曄 鄒澤昌

摘? 要：隨著我國工業化步伐的推進，傳統手繪和手工模型制作的教學方法已無法滿足培養高素質應用型人才的需求，將三維數字化建模和FDM打印制作引入工業產品模型設計教學，通過任務驅動完成設計構想、數字建模、FDM打印、模型評估改進全流程，具有直觀、迅速、易于修改等優勢，通過混合式教學模式將傳統面對面的課堂教學知識點、實驗實操技能點與線上學習資源進行深度融合，線上線下優勢互補，突破了傳統教學時間、空間限制，有效提升了學習效果。

關鍵詞：數字建模；FDM打印；工業產品設計；實踐教學

中圖分類號：TP39；TH164? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）05-0167-04

Blending Learning Application of Industrial Product Model Design Based on Digital Modeling and FDM Printing Technology

HU Xingye， ZOU Zechang

（School of Mechanical and Intelligent Manufacturing， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou? 350007， China）

Abstract： With the advancement of Chinese industrialization， the traditional teaching method of hand-painted hand-made models can no longer meet the needs of cultivating high-quality applied talents. It introduces 3D digital modeling and FDM printing production into industrial product model design teaching， completes the whole process of design conception， digital modeling， FDM printing， model evaluation and improvement by task driven， and it has the advantages of intuition， rapidity and easy modification. Through the blending learning mode， the traditional face-to-face classroom teaching knowledge points， experimental practical skills points and online learning resources are deeply integrated， and the online and offline advantages are complementary， which breaks through the limitation of traditional teaching time and space and effectively improves the learning effect.

Keywords： digital modeling; FDM printing; industrial product design; practical teaching

0? 引? 言

工業產品設計是為制造工業產品所進行的設計，傳統工業設計流程主要包括市場調研、確定設計方向、設計草圖、制作效果圖、結構設計、制作模型和評估分析模型等[1]。其中，產品模型制作至關重要，通過將產品造型、結構、比例、功能、人機關系等設計概念立體化呈現，具有說明性、可觸性、實踐性、啟發性等優點。

隨著我國工業化步伐的推進，工業產品設計對經濟產業發展的促進作用日益凸顯，培養高素質應用型工業產品設計人才的需求日益緊迫。以產品造型為例，造型基礎技能主要包括手工造型、攝影攝像造型和計算機造型等，而涉及工業產品造型的產品展示模型傳統上主要通過油泥、木材、石膏、塑料、金屬等材料制作，工藝耗時長且不易修改優化。伴隨著科學技術水平和信息化程度的不斷提高，通過平面或立體手繪表達輔以手工制作模型的教學實踐方法已無法滿足培養適應現代社會高素質應用型人才的需求，因此開展工業產品設計類課程的實踐教學改革研究工作，對縮短產品研發周期和成本，促進職業教育水平的提升具有很強的理論及實際指導意義。

1? 數字建模軟件在工業產品模型設計實踐教學中的作用

數字建模是指根據設計者的數據、草圖、照片、工程圖紙等信息在計算機上利用CAD軟件構建出三維模型的過程。通過計算機造型可三維動態表現產品工作狀態和虛擬裝配過程，并可隨時參數化修改尺寸、材質和色彩，具有表現直觀、靈活度高、成本低、修改周期短等優點，這種區別于傳統設計方法的全新設計思維客觀上已成為工業設計師必須掌握的重要造型方法之一，它帶給產品設計領域的不僅僅是藝術創作形式的改變，更是創作思維方式上的變革，具有廣闊的應用與發展前景。目前主流的工業設計類數字建模軟件有UG、Solidworks、Inventor等，藝術設計類的有Maya、Rhinocero、ZBrush等，兩者的主要區別在于藝術類更注重藝術性和審美，工業類更注重產品尺寸和結構關系，更適合零件電子產品尺寸比較高的物體。在課程教學中，主要引入Solidwoks軟件進行實踐訓練。以槍型打火器產品為例，學生手繪設計稿如圖1所示，學生數字建模圖如圖2所示，兩種模型繪制方式的優劣對比如表1所示。

由表1可以看出，在工業產品設計實踐教學中，采用數字建模的優勢在于耗時短、效率高，具有參數可反復修改、可混合建模、動態演示觀察、動畫拆分等優點，不僅可以培養學生對三維空間造型的理解能力和作圖表達能力，對產品的遮擋關系、裝配關系有更加直接的認知，從而有效把握平面設計與空間三維造型之間的關系，還有助于提高學生對工業產品設計與加工關系的認識，為之后的加工制造提供多元可靠的數據支持。

2? FDM打印加工在工業產品模型設計實踐教學中的作用

從20世紀80年代末誕生至今，3D打印由于具有高度柔性、可CAD模型直接驅動、成型快速、技術高度集成等特點在日常生活和工業生產中得到了廣泛應用，而熔融沉積成型（FDM）工藝因設備簡單、成本低廉和快速高效等優點，成為3D打印技術中一種發展成熟、應用廣泛的類型[2-5]。

FDM打印技術原理是采用離散方式產生空間小三角形面片逼近實體模型，并沿高度方向進行分層切片，獲得可供FDM打印機識別的模型文件，打印機在讀取每層的數據信息后，控制軟件將運算產生加工軌跡并將低熔點絲材（ABS、PLA）加熱至熔融狀態，通過噴嘴將絲材選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成制件截面輪廓，當一層成型后，工作臺下降一個截面層的高度，噴頭再進行下一層的涂覆，往復循環最終得到一個三維實體[6，7]。

由于FDM打印的增材制造，快速高效且不受復雜的曲面和結構限制，人們的創意和想象更具發揮的空間，產品模型設計將具更豐富的可能性，為產品的工程設計、制造以及市場營銷提供了更為全面高效的參考。為此，在實踐教學中引入FDM快速成型打印制造，如圖3所示，學生在分組線上學習FDM工藝流程和設備操作技能點后，線下利用FDM打印機進行實操，如圖4所示為學生FDM打印實踐作品。可以看出，在課程設計實踐教學中采用FDM打印技術，能強化學生們的實踐技能，提升自主分析和解決問題的能力，從而加深對產品設計理念的理解。

3? 基于數字建模和FDM打印技術的工業產品模型設計實踐教學案例

雖然數字建模對工業產品造型設計實踐教學起到了強大的輔助作用，但由于產品總體設計是否合理、零件之間有無干涉在使用虛擬數字模型時存在不確定性，想象過程較為抽象，對不少高職學生來說仍存在困難。此外，建模過程只是單純進行模型設計和構建，無法對產品實物進行比對與評估，故整個學習過程無法實現閉環控制和學習效果最終評價[8]。因此，在教學實踐中，通過引入數字模型設計并結合FDM打印加工演示驗證，可在短時間內完成產品設計和制造，大大節省了加工成本和時間，提高了制造效率，產品直觀形象，在教學實踐中具有很強的靈活性和經濟性。

以創意筆筒設計為例，學生以小組為單位，針對上述主題進行產品創意設計，提示在具備吸引力和表現力的同時，兼顧產品的功能與實用性。如圖5到圖10所示，學生通過構建二維草圖、實體旋轉切割、零部件裝配、材質渲染等步驟完成了模型建立。其中，A組同學以哆啦A夢的百寶袋為切入點，將袋子創意改造為放筆處，如圖5所示，功能造型兼備，令人愛不釋手。B組同學則是將雪人的手臂改造為插筆處，如圖8所示，兩個清新的小雪人手挽手，也可作為情侶間禮物饋贈，以示風雨同舟。可以看出，產品在通過數字模型的形象表達后，生動直觀地反映了設計理念和功能要求。再將數字模型stl格式化后，即可直接用于FDM打印加工，無須準備任何模具、刀具和工裝夾具，幾個小時即可完成整個筆筒模型的制作，相較于其他制作方法，更加高效便捷。除了快速性，質感方面，從圖7和圖10中可看出產品整體光潔度良好，哆啦A夢的五官和雪人帽檐的花紋的細節也得到清晰表達。但需要指出的是，在評估環節發現A組存在筆筒比例過小、放置不穩定的問題，提示學生后續可通過將筆筒鏤空或放大比例進行改進和優化。

4? 基于數字建模和FDM打印技術的工業產品模型設計實踐教學特點

傳統工業設計流程中主要以手繪技巧和手工模型制作為主要表達方式，對繪圖技法、透視原理、空間造型、審美能力等有較高要求，隨著信息化技術手段的不斷進步和發展，將三維數字化建模和FDM打印制作引入工業產品模型設計教學，能有效降低不同層次學生進行產品設計表達的門檻，相對于傳統的課程教學方式，其特色主要體現在以下幾個方面。

4.1? 在傳統技藝的基礎上實現課程教學手段創新

手繪表現技法是一個將思維物化的過程，是產品設計師自身設計思維表達的路徑，它不同于一般的藝術創作，而是需在傳統技藝的基礎上，更有針對性地了解產品功能和結構，它不僅僅是設計師個人風格的體現手段之一，更是工業設計師與投資生產商之間進行溝通交流的媒介之一。但通過將圖片、文字、符號等內容以視覺化的方式靜態呈現于紙上的形式，在產品表現上仍略顯單薄。為此，通過數字建模軟件進行產品設計，可隨時參數化修改產品的尺寸、材質和色彩，得到的數據模型再通過FDM打印，可突破材料、空間的界限，使產品表達快速具象化、多維化，整個環節經濟快速，非常適合高校的教學實踐環節。同時，學生經過對模型的自主探索推敲并優化設計這一完整連續的實踐過程，能有效加深感性認識，并彌補在校進行產品設計時經驗不足的問題，有效提升了教學效果。

4.2? 以賽促教實現課程教學內容創新

在實踐教學過程中，依托1+X增材制造設備操作與維護職業技能等級證書考核和職業技能大賽“工業設計技術”“工業產品造型設計與3D打印”等相關賽項，將競賽內容、技能考核要求融入課程內容架構和課程考核評價，通過選取有代表性的產品案例，如自主設計多功能筆筒、兒童理發器、掃地機器人、便攜臺燈、便攜加濕器等，由淺入深，通過任務驅動，引導學生完成項目實戰，充分給予學生自由發揮的空間，使教學內容呈現多樣性，大大提升了學生的學習興趣。

4.3? 線上線下混合實現課程教學模式創新

如圖11和圖12所示，線上通過信息化教學平臺將數字建模過程和FDM打印的技能點以視頻、動畫、多媒體等形式進行講解，如圖13所示，以小組討論、頭腦風暴、在線測試等方式與學生進行互動，線下通過分組實操、組間互評、教師點評等方式進行設計實踐，通過線上線下混合教學，突破傳統教學時間、空間限制，為做而學，以學促做，做學相長，全面檢驗了學生自主學習能力、實際操作能力、團隊協作能力和創新設計能力。

5? 結? 論

將三維數字化建模和FDM打印制作引入工業產品模型設計教學，利用計算機生成的虛擬模型模擬產品的外觀造型、色彩、質感及人機關系，并利用先進的快速成型手段進行產品原型制造，具有直觀、迅速、易于修改等優勢，使設計工作各個環節高度整合，有效改變原本重復的基礎性工作，有助于加快設計進度，提高工作效率，在更高層面上提高設計品質。同時，通過課程教學手段創新，有效降低了不同層次學生進行產品設計表達的門檻，對學生設計思維的活躍和靈感激發具有深入、完善的積極作用，實現了教學過程的閉環控制。

依托1+X考證及其職業技能大賽，將競賽內容、技能考核要求融入課程內容架構和課程考核評價，通過任務驅動，引導學生完成項目實戰，充分給予學生自由發揮的空間，使教學內容呈現多樣性，大大提升了學生的學習興趣。

借助現代教育技術、互聯網技術和信息技術優化整合教學資源，通過混合式教學模式實現線上線下優勢互補，突破了傳統教學時間、空間限制，有效幫助教學目標順利達成。

參考文獻：

[1] 張楠楠，許莉鈞，李學強.3D打印技術應用對工業設計新模式探索的啟示 [J].藝術科技，2016，29（8）：23.

[2] 秦鵬，靳國寶，胡金兵，等.FDM工藝參數的優化以及對成型質量的影響 [J].新鄉學院學報，2020，37（6）：55-59+64.

[3] 楊欽杰，李佳汶，李明，等.熔融沉積3D打印設備研究進展 [J].中國塑料，2022，36（2）：157-171.

[4] 盧秉恒.增材制造技術——現狀與未來 [J].中國機械工程，2020，31（1）：19-23.

[5] BERMAN B. 3-D Printing：The New Industrial Revolution [J].Business Horizons，2012，55（2）：155-162.

[6] 吳淼，谷育紅.3D打印技術在SolidWorks三維建模教學中的應用 [J].造紙裝備及材料，2022，51（1）：235-237.

[7] 梁焱，梁麗.SolidWorks與FDM組合模式的教學應用 [J].中國現代教育裝備，2015（9）：10-12.

[8] 卜祥安.機械三維建模及3D打印課程教學模式研究 [J].數字通信世界，2021（3）：225-227.

作者簡介：胡星曄（1981—），女，漢族，福建福州人，副教授，碩士，研究方向：機械設計、增材制造。

收稿日期：2022-10-10

基金項目：福建省增材制造創新中心開放課題（ZCZZ202-03）