基于3D 打印技术的《三维造型设计》教学方法的研究

张 莎

（陕西能源职业技术学院机电与信息工程学院，陕西 咸阳 712000）

0 引言

3D 打印技术可有效简化产品从设计到制造的过程， 提高产品的生产效率， 是制造产业领域的新兴技术。 而应用三维软件进行产品的造型设计， 可以有效的改善产品的设计效率和精度， 三维造型设计也成为机械设计与制造的重要技术手段。 目前在高校课程教学中， 将3D 打印技术与三维造型设计相结合能够帮助学生提高设计能力， 同时改善教师三维造型设计课程的教学效果。 本文主要分析和研究3D 打印技术在三维造型设计课程上的应用， 为三维造型设计课程的改革提供新的思路。

1 3D 打印在教学中的应用现状

目前，3D 打印技术作为新兴技术， 其在教育领域的应用， 受到了越来越多国家或组织的关注及探索研究。 英国教育部于2012 年开始探索3D 打印技术在教学方面的应用，他们选取21 所学校作为试点，开展了为期一年的试验。 该项目与英国NCETM 机构和3D 打印机厂商合作，将3D 打印技术与数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程相结合，探索3D 打印技术的教学应用。

美国国防高级研究计划局(DARPA)制作实验和拓展(MENTOR)项目为了培养高中生的一系列技能，并让学生对科学、设计、制造等方面的相关课程更感兴趣，该项目引进了3D 打印机，希望通过3D 打印机，促进学生顺利完成产品从设计到制造的过程。

意大利理论物理国际研究中心(ICTP)通过免费的网上工具， 将数学课程中的等值曲面转化为三维造型， 并结合3D 打印机打印出特别的艺术品或课堂教学所用的实物。 同时，在3D 打印过程中选择多种打印材料（如塑料、陶瓷、金属等），还可以增加数学的观赏性和趣味性。 该研究将数字、设计及时尚相结合，通过3D 打印技术，使数学以艺术的形象展现给学生，增强了学生的学习兴趣。

目前越来越多的学校或机构将3D 打印机引入课堂教学中，上海市静安区青少年活动中心创意梦工厂也引进了3D 打印机以及3D 扫描仪。 并且开设相关课程，免费提供给对三维造型设计和制造感兴趣的同学。

徐鼐、李志君等研究了3D 打印技术在塑胶加工成型及模具设计课程群教学改革中的应用探索， 实践得出， 结合目前塑料加工成型及模具设计制造等课程在教学中所存在的一些问题， 通过将3D 打印技术引入到相关的教学活动中， 与传统教学方法进行优化和整合，激发学生的学习热情，强化教学效果，旨在培养具有创新精神和能力的卓越工程师和优秀科技人才。

周敏对基于3D 打印扫描的产品设计控制技术进行了研究，利用3D 打印扫描成像得出产品的信息，实现高分辨的产品图像， 结合产品的质量管理建立产品技术的控制模型， 利用3D 打印扫描表达对产品技术进行控制， 在产品设计的过程中对技术的约束条件进行考虑,实现产品的高满意度，并同时对产品的资源以及成本的约束进行考虑， 克服了传统方法存在的弊端， 有效地提高了产品设计的精确度， 使产品的外观表达的更清楚， 完成对产品设计控制技术的研究。 实验结果表明， 利用所提方法能有效地提高产品设计的精确度。

2 3D 打印技术在高校三维造型设计教学中的应用策略与方法

机械学科的三维造型设计课程主要任务是培养既能熟练操作计算机三维软件， 又能够设计机械产品的高技能人才。该课程主要学习内容为以三维CAD/CAM软件为工具实现产品造型设计。 目前教学过程中，我们所采用的教学模式是“多媒体+计算机”教学方式，用多媒体教学一般是纲要性的、 提示性的进行理论授课， 多媒体教学结合学生应用计算机操作， 老师给予辅导； 这种教学模式， 提高了学生对软件的实际应用能力， 但在长期的教学实践中发现该模式存在一定的缺陷： 学生设计的零件较随意， 不能达到机械设计的功能或结构要求； 在达到上述要求的设计中， 所设计零件装配过程中配合存在一定问题， 不能根据技术要求或使用要求设计出合理的零件。 在传统的三维造型设计课程在教学过程中， 学生只能理论的掌握绘图命令， 设计零部件， 但所设计的零部件与实际生产所需有较大差异， 并且缺乏学生兴趣和自主设计能力；传统的三维造型设计课程在教授过程中， 一般学习设计的方法、思路、原则以及三维软件的操作，以概念性的内容为主，学生没有实体视觉感受，此外，如果要将三维视图制造为三维实体， 则需要高昂的费用及繁琐的制造过程。 总体而言， 学生理论与实践的结合性较差为其薄弱点。

为了改善学生理论与实践的脱节，把3D 打印技术引入实践教学环节，3D 打印技术（3DP）为快速成型技术(RPM)的一种，它是一种以数字模型(即三维造型软件设计零件）为基础，用金属粉末或者PLA 等塑料为打印材料，通过将处理后的数字模型导入3D 打印机，经逐层打印的方式形成三维立体的物体。 目前，3D 打印机的用途非常广泛，包括衣、食、住、行及生物医药等很多方面。3D 打印机因其分层制造的过程与普通的喷墨打印机很相似，所以也被通俗的称为“打印机”。3D 打印机的打印步骤可以分为三维设计、 层片处理、打印机打印三个主要步骤。 引用3D 打印技术可以将学生设计的三维零件打印成实物， 从而让他们直观的发现设计中存在的错误或缺陷，从而加以改善。

将三维造型设计学习与3D 打印实训相结合，采用教、学、做、评、赛一体化的课程设计方法，使学生完成从设计到生产成品的全过程。 在教学过程中， 应用三维造型软件，学生分小组设计装配体等模型，通过3D打印机，打印出成品，并进行评比。 通过3D 打印与三维造型设计课程的学习， 可以增加学生的学习兴趣，加强学生对三维设计软件的操作能力； 基本掌握3D打印技术， 使学生可熟练操作3D 打印机及Maker Bot处理软件； 增强理论与实践相结合的能力， 使学生可设计出满足实际生产所需的零部件； 此外， 通过理实一体化教学可增强其动手能力、 提高其创新能力、改善其语言表达能力、并增加其团队合作意识。

综合上述分析， 三维造型设计课程以理实一体化的改革思路和设计方法来实现学生的培养任务，将3D打印实训与三维造型软件相结合， 为学生提供真实直观的视觉感受， 同时提高学生的创新和动手能力，使他们在产品设计、 产品制造、 逆向工程等多方面得到综合发展。 从而， 使高校能够培养出更适合现在设计制造业的、掌握三维设计的实用性人才。

3 结束语

三维造型设计作为机械设计专业的专业课， 是各高校重点发展与培养的重要课程， 针对目前高校三维造型设计教学过程中存在的问题， 教师及学校要从实际出发， 在教学过程中不断改善教学方式， 并且逐渐形成一套实用的有活力教学方法。3D 打印技术随着新技术和新工艺的发展， 其潜质在逐渐的被开发利用，三维造型设计课程也得到了新的授课思路， 学校和教师应将传统课程与新科技与新工艺相结合， 不断更新3D 打印技术的应用策略， 三维造型设计课程体系，才能培养出更加优秀的掌握现代技术的行业人才。