3D打印技术运用于眼镜设计工作室教学的意义研究

李艺

摘要：研究3D打印技术引入眼镜设计工作室教学的意义。从两个角度进行分析3D打印技术引入眼镜设计工作室的意义，包括学生角度、教学角度。学生角度，通过3D打印技术的引入，学生可以独立完成从设计到生产个性化眼镜，再到销售个性化眼镜的完整创造过程，不仅能提升学生自主学习、自主探究的能力，培养学生创新的发现问题解决问题的能力，还能引导学生创业;教学角度，3D打印技术的引入，将促进教学内容、教学手段改革及校企深入合作，提升教学质量，丰富教学成果，在工作室实现作品一产品一商品一体化。对艺术设计其他工作室引入3D打印技术的意义研究具有抛砖引玉的作用。

关键词：3D打印技术 眼镜设计 工作室教学 艺术设计 校企合作

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2019） 06-0078-02

引言

3D打印技术被称为“引领第三次工业革命的制造技术”[1]，在“工业4.0”项目中的三大主题中，它属于“智能生产”主题的关于3D打印技术在工业生产中的运用的相关内容[2]。

3D打印技术最大的优点是能在较短的短时间内制作出结构复杂、尺寸精细、造型独特的产品。将3D打印技术引入眼镜设计中，可以将设计的Rhinoceros眼镜模型打印成实体，并验证设计的可行性，并以此为参考依据来反复修改完善眼镜设计方案，推动校企深入合作;将3D打印技术引入眼镜设计工作室教学中，学生可以独立完成从设计、生产甚至销售个性化眼镜的整个过程，不仅能提升学生自主学习、自主探究的能力，培养学生创新的发现问题解决问题的能力，还能引导学生创业，丰富教学内容，更新教学手段，提升教学质量，丰富教学成果。

二、现有条件

目前市场上常见的3D打印技术主要有以下五种，每种技术对应用的材料及优劣性分析，如表1所示。

3D打印工作室主要有FDM、SLS和SLA三种打印技术的设备。

1.FDM（熔融沉积工艺，fused deposition modeling），在20世纪80年代由Scott-Crump发明[3]。它是将加工成丝状的热熔性材料，如ABS，PC、PLA等可降解材料、蜡、复合材料等，经送丝机送进热熔喷嘴加热熔融，并沿零件层片轮廓和填充轨迹挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层已经成型的材料黏结，层层堆积，最终完成产品的打印[4]。

FDM打印技术的优点是容易操作且成型快。缺点是，通过“固态挤出一液态堆叠一固态成型”后，受液态堆叠层厚设置的影响，打印的制品表面有很细的堆叠纹路;由于丝材通过喷嘴的高温热熔再堆叠的，受环境温度变化的影响，容易打印断层制品。因此，該工艺适合在温度稳定的环境下，打印面积较大较宽的镜架。

2.SLS激光烧结工艺：SLS（激光烧结工艺，selective laser sintering），最初由美国的Carlckard于1989年提出[5]。它是将模型依据切片软件生成分层切片数据后，激光打印机根据分层切片数据信息，对粉末特定区域扫描烧结，烧结完一层后，铺上新的一层粉末，从下而上层层堆积成型，最后除去未烧结的粉末，获得产品模型[4]。优点是可用于复杂造型的成型，速度快，材料适应面广;缺点是成型精度不高，如在无压力熔融融合后的制品表面成型质量差、内部容易形成孔隙和缺陷，力学性能受影响。因此，该工艺适合打印金属眼镜架。

3.SLA光固化工艺：SLA（光固化工艺，stereo lithographyapparatus），是最早出现的一种快速成型技术[6]。它是将激光束聚集到光固化材料表面，按照设定好的切片程序顺序凝固形成一个层面，随着升降台在垂直方向移动单个层片的高度，再重复步骤固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

1984年世界上第一台3D打印设备运用了SLA工艺，目前3D打印设备中属SLA工艺最成熟，运用最广泛，打印的制品光滑细腻，而且精度比FDM工艺高，速度更快，但是使用材料只能是光敏树脂，打印制品强度不高，还容易因二次固化不充分导致变形，变色，变脆等，因此该工艺适合用于打印较纤细款的眼镜模型，因保存时间短，该技术打印的眼镜模型可以用于跟企业交流商讨大批量生产的可行性方案。

二、将3D打印技术引入眼镜设计工作室教学中的具体意义主要有两方面：

（一）对学生的意义

1可以提高学生的实践能力、动手能力，完成的创新实验：眼镜的生产主要集中在深圳横岗，一副眼镜架的生产成型要历经上百道工序，目前没有眼镜工厂能够独立完成眼镜配件的全部生产[6]。以往的工作室教学，学生在电脑上完成图稿设计后，—方面选择可以制作样板的眼镜设计方案，利用工作室现有的设备做成眼镜样品。眼镜设计工作室虽然具备金属镜架和胶架两条生产线设备，但是设备无法向企业一样不断更新齐全，也很难请到同时精通两条生产线设备的企业兼职教师，另外，学生在工作室教学中学习各种设备的使用，很难精通，所以受设备及学生制作熟练度的限制致使很多优秀的创意流失;另一方面，由企业生产被选中的眼镜设计方案。由于生产过程在企业完成，这时学生是无法参与生产过程的，更别说亲自实验、测试和探究设计成果，导致学习研究效果打折扣。3D打印技术的引入，使学生有机会独立或协同完成从设计到建模再到生产创意眼镜的完整创造过程。

2.可以培养及引导学生创新能力及自主创业能力：3D打印技术缩短了创意与成品之间的距离，可以低成本、高效率地完成复杂而精细的造型，培养了学生的创新能力，引导学生自主创业提供了一定的保障。

3D打印技术可以打印形状复杂的造型，且制作成本比传统低廉，这是与传统制作最大的区别之一。以往受的生产工艺的影响，学生很多创意都不能实现，还会被冠上“天马行空”的头衔，而3D打印这种新的生产技术的出现，曾经的“天马行空”明显不够用，学生的造型能力，创意能力还有待开发，如图1所示。只要学生能展开创意思维，把创意转化成三维数据模型，均可运用3D打印技术打印出来。

3.教师带领学生获取专利、发表作品、参加比赛等，以此丰富学生的学习成果。产品结构设计方面—直是艺术设计专业学生的短板，3D打印可以打印结构一体化的制品，如图2所示。传统的眼镜往往是多家工厂生产的零部件，由工人（甚至跨洲）组装。3D打印技术引入眼镜工作室教学后，可以同时打印一付眼镜及上面的配套铰链，不需要组装。3D打印技术的引进，无疑可以激发学生对结构研究及学习的热忱，教师可以带领学生设计不仅是外观创新，还可以结构上创新的眼镜，以参加比赛、申请专利，或者发表作品等方式，以此来丰富学生学习的成果。

（二）对教学的意义

1.实现“作品一产品一商品”一体化，全方面培养学生的综合素质;3D打印设备能直接打印完整的模型，相比很多传统工艺设备占地面积小，再经过打磨、着色等，使学生作品的外观和结构均能完美呈现，能应用于结构装配、外形验证、功能测试等[7]，最终将打印出来的产品变成商品销售出去，从而间接促使学生了解市场动态和消费心理学相关内容，培养一定的市场意识和营销意识，培养学生的综合素质。

2.3D打印技术的融入能有效地推动教学内容改革;让学生了解现有材料工艺的前提下，再引入3D打印技术，并不是要取代原有的产品生产方式，而是将创新度高的，以目前企业的装备水平无法生产的方案，用3D打印出来，在教学内容上就意味着要新增3D打印技术运用及3D打印设备维修等新知识，甚至是销售、创业的相关知识，有效地推动了教学内容改革。

把3D打印技术引入眼镜工作室教学中，将在教学方式及教学内容等方面进行改革，图3为旧的教学流程，而图4则为引入3D打印技术后的教学流程。

3.3D打印技术的融入能有效地推动教学手段改革;通过3D打印技术，教师可以打印出各种教具，让学生可以真正“触”碰到，真实体验并理解课程内容。结构连接往往是活动的装置，以往的教学上，常常是教师用语言描述，或者是通过静态或动态的图片、视频等展示给学生看，需要学生基于自身经验去理解。有了实物模型后，学生可以真正从实物中触摸到，从与结构互动中感受到，使原来复杂抽象的教学内容变得具体、生动、形象。

4.3D打印技术的融入能促进校企合作深入发展。3D打印技术可以将创意设计打印成模型提交给企业评审，区别于一贯以来的设计图纸提交评审，模型的展现能比设计图纸更方便学生把握整体，反复修改完整设计。经过反复推敲修改过的设计，能极大提高企业审核通过率。打印出来的3D模型，也方便企业评审及商讨实现批量生产的可行性，大大减低失败概率，促进校企合作的深入发展。

例如：图5为李凤朗设计的餐具L+铸铁系列，他根据古代青铜器设计的餐具，颠覆了传统理念，最终被工业设计博物馆收藏。这些器皿在设计过程中就运用了3D打印技术，通过这些3D打印的塑料模型，李凤朗在它们的基础上进行了尺寸和细节的反复推敲与调整[8]，如图6。

在电脑上设计的模型尺寸总是虚拟的，有限的屏幕下展示着无限大的模型，一毫米的模型可以放大充满整个屏幕，在屏幕显示上与一米的甚至一幢大楼的体量模型毫无差别，这就使得设计师很难实实在在感受尺寸的变化，3D打印技术的出现对此问题有了补偿，极大地帮助了设计师修改完善模型。

总结

3D打印技术可以打印出任意复杂结構的模型，甚至可以一体化成型，缩短了创意与成品的距离，学生可以独立完成从设计、生产到销售个性化产品整个，丰富了教学内容的同时更新了教学手段，教师带领学生学习3D打印技术，设计外观创新及结构创新的产品，创新实验、作品发表、专利获取、自主创业等，从而有效地推动了工作室出成果。

将3D打印技术运用到眼镜设计工作室教学中，是将学生的创新意识培养和创新思维养成融入到教学全过程，是培养高端技术技能人才的有效途径之一，同时也为其他艺术设计工作室教学引入3D打印技术起了抛砖引玉的作用。.

参考文献

[1]黎加厚，扬小哲，杨高云三维打印技术的发展对教育的启迪[J]中国医学教育技术，2013，27 （2）：1-5

[2]莫雷，教育心理学[M]北京：教育科学出版社，2007： 65

[3]董洁，赵升祥，铁梅3D打印技术掀起制造技术的新革命[J]科学智囊，2013 （5）：78-84

[4]唐通鸣，张政，邓佳文，等基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势[J]化工新型材料，2015，43 （6） 228-230，234.

[5]胡迪利普森，梅尔芭库曼3D打印—从想象到现实[M]北京：中信出版社，2013

[6]搜狐IT美大学生3D打印模型飞机成功试飞2000美元[EB/OL]

[7]张燕翔，朱赟，董东，等从“经验之塔”理论看增强现实教学媒体优势研究[J]现代教育技术，2012，（5）：22-25

[8]手艺门他根据古代青铜器设计的餐具，颠覆了传统理念，却被工业设计博物馆收藏[Z]中国手艺文创生活平台，2019 （3）

[9]余森林毛一鸣I业4.D时代3D打印技术对工业设计的系统性影响[J]设计'2016，29 （19）：64-65

[10]张晓琪杨九瑞基于3D打印技术的柔性结构设计[J]设计，2016，29 （21）：116-117