产品造型与3D打印教学初探

姚念近

【摘 要】产品造型与3D打印是一种新兴的快速成型技术，它以数字模型文件为基础，通过逐点，逐面进行材料的“三维堆砌"成型。本文概括介绍了该项技术目前的发展现状和以后的发展前景，并就模具专业引入产品造型与3D打印技术课程，在教学组织及课堂教学实践等方面进行了一定的探究。

【关键词】产品造型设计；3D打印；教学实施

1、产品造型与3D打印技术的应用

产品造型与3D打印主要应用于快速原型制造技术，而快速原型制造技术简称RP，它是一种借助于计算机辅助设计，或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状，结构和材料的组合信息，并以此建立数字化模型，然后将模型输出到计算机控制的集成制造系统，通过逐点，逐面进行材料的“三维堆砌"成型，再经过必要的处理，使其在外观，强度和性能等方面达到设计要求，从而达到快速，准确地制造原型，实际零件或产品的现代制造方法。

随着计算机数字技术的不断发展，计算机辅助产品造型设计在快速原型制造中的作用越来越重要，三维数字建模与结构设计、逆向工程等环节都离不开计算机辅助设计，3D打印（3Dprinting）作为快速制造技术的一种，它以软件数字建模为基础，运用塑料、金属、陶瓷、橡胶、玻璃、色砂等多种可粘合材料，通过逐层增加材料“打印”出三维实物产品。在产品的设计过程中，设计师通常利用计算机完成产品的数字化造型设计，然后通过3D打印输出产品原型。

产品造型与3D打印技术的应用领域非常广泛，造型通常应用3D软件完成，主流的造型软件有Pro Engineer、UG、Mastercam、CATIA、CIMATRON、3DMAX等，设计师应用造型软件进创建数字化模型，然后输出转化为3D打印机能够接受的文件格式，后面的工作就由3D打印机完成了。

根据3D打印技术应用特点不同，可将3D打印设备分为SLA和FDM两种。其中SLA主要用于制作模型，在国外大学教学领域上用的比较广泛。SLA成熟度高，由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周 期短，无需切削工具与模具，降低错误修复的成本，可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，可联机操作和远程控制。FDM主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，目前市场上采用 FDM技术较为普遍。其优势在于操作环境干净、安全可以办公室环境下进行，表面质量较好，易于装配，可以快递。原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换，材料费用低。另外，可选用多种材料，如可染色的ABS和医用的ABS、PC、PPSE等， 材料利用率高。

3D打印的优势在于数字化驱动，无需编程 、可打印任何复杂结构、 自动运转无需人工干预、无需模具直接成型、设计制造一体化。三维造型与打印技术可以用于产品设计评估与校审；用于产品工程功能试验；用于快速模具制造；用于快速直接制造；用作厂商与客户的交流手段；应用于医学、建筑等行业。产品造型与3D打印技术的应用使得产品开发周期大大缩短，提高了研发效率、改善了产品质量、优化了产品设计。目前，这种技术广泛应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航天航空、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程和等诸多领域。

2、产品造型与3D打印课堂教学实践

我院在模具设计与制造专业（快速原形设计方向）引入了产品造型设计与快速制造课程，试图通过此课程的学习使学生掌握从软件造型到3D打印原型的基本原理及工作流程。

通过课程的开发与课堂教学实践，我们发现3D打印的基础是产品造型的数字建模，如果不能熟练掌握的三维数字软件的建模技巧，就很难实现产品造型的设计构想。因此，加强三维数字软件应用教学就显得尤为重要。为此，我们在产品造型与3D打印课程中，针对三维软件的各项功能制定了详细的教学计划，认真设计了若干单项及综合训练任务，通过项目化教学，使学生在任务中学习，在情景中学习，在不断地解决实际问题中学习，边学边练，边练边学，切实提高三维造型应用水平。

快速原形设计分为外观设计和结构设计，这与建筑设计很类似，也分为建筑外观设计和建筑结构设计。产品造型设计偏重于外观设计，然而造型与结构是密不可分的，在进行快速原型设计的时候，同时要考虑到结构问题，考虑大批量生产中工艺性问题，考虑装配问题，考虑散热问题等等，这样才能设计出优秀的产品。在课程教学实施过程中，由于引入了3D打印成型设备，学生能直观地看到自己的设计成果，大大激发了学生的学习兴趣和主观能动性，课堂气氛活跃，学生参与率高。

从就业角度看，掌握三维造型与3D打印技能的学生可以到各产品制造企业、3D打印服务公司、设计公司、3D打印网店和其他3D领域企业担任设计人员、技术操作员、咨询服务人员和管理人员，也可以自主创业开设网店或实体店提供3D产品设计和打印服务，利用电子商务平台拓展业务空间 。

3、产品造型与3D打印的发展与存在的问题

随着数字化技术的不断发展，产品造型与3D打印技术正在迅速的申入各个领域，受到了社会的广泛关注和一致好评，但在此过程也存在着一些亟待解决的问题。首先，3D设计人员短缺的问题，3D产品造型软件门槛较高，一般非专业人员很难上手，即使是工业产品设计专业人员，也需要经过专门的软件培训以及大量的应用设计实践才能较好地掌握，所以3D造型设计人员相对比较缺乏。此外，3D打印作为新生事物，其本身发展也存在诸多问题，主要表现在：

（1）耗材成本高，种类少。3d打印必须使用特定的耗材，但这些耗材都价格不菲，很多材料本身的价格就很昂贵，再加工成打印耗材自然没法降下来。打印耗材的种类也是屈指可数，虽然媒体极力渲染3d打印技术，可以打印很多种材料，但实际上对于整个制造业来说，还远远不够。

（2）金属激光烧结技术本来的研发成本高昂，再加之打印机制造成本也很大，所以推广难度很大，特别是在面对传统技术依靠非常成熟的经验和低廉的成本占据市场的局面下。

（3）打印对象体积受到打印机大小限制。对于大型的机械部件，3d打印还是只能通过打印一部分部件然后拼接组成成品。扩大打印机规模常常是不合算的，而且这也会影响到打印精度。

（4）打印精度和强度在很多产品面前并不适用。一些需要精度较高，表面光洁程度高的零件是无法通过3d打印完成的，毕竟这种堆积技术是通过微小颗粒堆积起来的，精确度仍然只在零点几微米级，特别是在曲面上面，像素不高，所以打印完成之后还是得再进行后期打磨处理。另外，其打印产品强度也值得质疑，很多需要强度保证的材料是借助材质内的微观分子结构甚至原子结构维持的，而3d打印的堆积技术，颗粒之间是通过粘接技術炼结的。

尽管3D打印技术还存在着一些亟待解决的问题，然而，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志的第三次工业革命正在向我们走来，数字化造型设计以及3D打印技术的应用将像蒸汽机、内燃机和计算机一样，开创一个崭新的工业时代。

我国正处于工业转型升级的关键时期，快速制造技术的发展，对我国既是重大机遇，又带来了挑战。加快推进快速制造技术研发及产业化，对于提升我国制造业的整体创新能力，取得在数字化制造、智能制造方面发展的主动权，抢占先进制造业发展制高点，加快工业转型升级和经济发展方式转变具有重要意义。

参考文献：

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