3D打印在UG_CAD课程教学中的应用初探

李路娜　汤锐　桑晶

摘要：3D打印技术是一种新型的快速成型技术，在许多领域具有广阔的应用空间。本文在介绍3D打印工作原理和特点的基础上，探讨将3D打印技术引入到UG课程教学中的意义和作用，并用一个完整的实例阐述了3D打印技术在UG_CAD课程教学中的应用。

关键词：3D打印技术；快速成型；UG_CAD课程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0200-02

一、引言

3D打印技术是一种新型的快速成型技术，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，将对社会多个行业和领域带来深刻影响。3D打印的未来发展将使大规模的个性化制作与生产成为可能，在工业设计、建筑、医学、航空航天、教育等领域具有广阔的应用空间。

3D打印技术的发展和应用前景引起了教育工作者的关注。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了比较详细的介绍，报告认为，该技术将会在4～5年内普及。本文在介绍3D打印工作原理和特点的基础上，探讨了3D打印技术在UG_CAD课程教学中的作用并以应用实例讲述了具体实施过程。

二、3D打印工作原理与特点

（一）工作原理

3D打印（3DP，Three Dimension Printing），也称增材制造，该工艺是由美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制，以三维数字模型为基础，采用陶瓷粉末和金属粉末作为粘合材料，通过逐层打印、层层堆积的方式打印三维实物的技术过程[1]。

3D打印的基本过程分为3D模型建模、3D模型分层、激光逐层扫描和快速原型制作四个部分（见图1）。

3D模型建模可通过三维软件（如UG、Pro/ESolidworks等）建模或使用3D扫描仪进行逆向建模。模型分层则是借助切片软件对模型数据进行逐层分切，获取每层的截面信息。激光逐层扫描和快速原型制作，则是采用3D打印设备扫描读取各截面层信息，对分切的每一层进行构建、打印并逐层粘合，从而快速制造出实体。

（二）特点分析

3D打印技术最突出的优点是无需机械加工和模具，直接由计算机图形数据生成实物。与传统机加工相比，其特点和优势如下。

1.实现个性化制作。用户采用建模软件设计所需模型，进行个性化设计和创新设计，制造出传统生产无法加工的外形，满足设计者的需求。

2.制造周期短。3D打印省去了模具设计和制造等工序，生产周期大大缩短，简化了制造流程，节约了生产成本。

3.材料利用率高。3D打印时，材料成形方式改变，通过层层堆积的方法形成实物，废料较少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

三、3D打印在UG_CAD教学中的作用

（一）激发学习兴趣，提升自我学习能力

3D打印是UG课程的拓展，将数字化模型变为实物。它为学习活动开辟了新的空间，连接创新（创意）设计、三维数字化建模、3D打印制作和后处理等多个环节，学生为完成作品将通过多种渠道学习新知识、新技能，自我学习能力得到了提升。

（二）丰富学习体验，提高动手能力

由于3D打印不受刀具规格、机床类型及零件复杂程度的限制，学生可以充分发挥自己的想象力进行设计并打印制作，这种设计和制作一体化的学习体验，培养了学生的设计能力、观察能力和制造能力，同时动手能力也得到了全面提高。

（三）将“创”和“造”结合，培养“创客”

所谓“创客”（Maker）一般是指不以营利为目标，利用3D打印技术及各种开源硬件，努力把各种创意转变为现实的人（网络解释）。将UG_CAD课程教学与3D打印相结合，实现了创新、创意设计与3D打印制作一体化，是“创”与“造”的结合，达到了创客式教育[2]（将动手操作、实践体验融合进教学过程）的目的。

四、应用实例

在UG_CAD教学中，将内容划分为基本操作、三维实体建模、曲面建模、装配图和工程图等[3]模块。曲面建模最能体现复杂产品的设计特点，风扇具备曲面建模特征，以其设计制作为例，讲述了3D打印在UG_CAD教学中的应用。

（一）风扇产品建模

1.新建文件夹”/D/fengshan.prt，进入建模模块。

2.采用设计特征。草图绘制、偏置曲面、投影曲线、编辑曲线和通过曲线组等命令，绘制如图2a所示图形。

3.进行片体加厚、边倒圆、偏置实体面等操作，效果如图2b所示。

4.使用移动对象命令，选择变换方式为“角度”，指定旋转矢量和轴点，绘制另外两个叶片，效果如图2c所示。

5.继续进行边倒圆、布尔运算、打孔等操作，完成风扇建模并保存，如图2d所示。

6.“.stl”格式导出。单击文件→导出→“.stl”格式→指定文件名“fengshan.stl”进行导出。

（二）风扇实物制作

采用学院3D打印（增材制造）中心MakerbotZ18设备（见图3（a））打印制作风扇产品，该设备提供三种方式将模型打印出来，即电脑连接3D打印机、U盘脱机打印或WiFi连接打印。笔者采用U盘脱机打印，具体打印步骤如下。

1.将模型“fengshan.stl”数据导入到切片软件Makerbot中，选取设备型号Z18，调整模型尺寸、位置，设置好填充比例、速度、底座、支撑等，以“.x3g”格式将模型fengshan导出并保存到U盘中。

2.脱机打印。将U盘插入打印机USB接口中，开机启动，装丝并调平成型底板后選择“fengshan.x3g”模型进行打印。

3.成果。打印材料选用PLA（Polylactic acid），这是一种从玉米中提取的可再生且无污染的生物树脂塑料。打印出实物如图3（b）、图3（c）所示，图3（b）中包含底座和支撑，图3（c）为经过处理（去支撑）后的产品。

五、结语

采用UG软件进行产品数字化建模和利用3D打印机进行快速原型制作相结合，丰富了学生的学习体验，拓展了学生的感觉和知觉，促进了学生思维能力的发展。学生在主动参与、善于思考的过程中提高了管理能力、动手能力和设计能力，并积极参与2015年中美创客大赛和CAD建模大赛，取得了优异成绩。

参考文献：

[1]侯琳，齐健.3D打印技术及产业前景展望[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013，（9）：66-70.

[2]杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015，（2）.

[3]彭湘蓉.“任务驱动教学法”在UG教学中的应用[J].实践与探索，2012，（5）.