基于数字建模和FDM打印技术的工业产品模型设计混合式教学应用

胡星晔 邹泽昌

摘  要：随着我国工业化步伐的推进，传统手绘和手工模型制作的教学方法已无法满足培养高素质应用型人才的需求，将三维数字化建模和FDM打印制作引入工业产品模型设计教学，通过任务驱动完成设计构想、数字建模、FDM打印、模型评估改进全流程，具有直观、迅速、易于修改等优势，通过混合式教学模式将传统面对面的课堂教学知识点、实验实操技能点与线上学习资源进行深度融合，线上线下优势互补，突破了传统教学时间、空间限制，有效提升了学习效果。

关键词：数字建模；FDM打印；工业产品设计；实践教学

中图分类号：TP39；TH164    文献标识码：A 文章编号：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

工业产品设计是为制造工业产品所进行的设计，传统工业设计流程主要包括市场调研、确定设计方向、设计草图、制作效果图、结构设计、制作模型和评估分析模型等[1]。其中，产品模型制作至关重要，通过将产品造型、结构、比例、功能、人机关系等设计概念立体化呈现，具有说明性、可触性、实践性、启发性等优点。

随着我国工业化步伐的推进，工业产品设计对经济产业发展的促进作用日益凸显，培养高素质应用型工业产品设计人才的需求日益紧迫。以产品造型为例，造型基础技能主要包括手工造型、摄影摄像造型和计算机造型等，而涉及工业产品造型的产品展示模型传统上主要通过油泥、木材、石膏、塑料、金属等材料制作，工艺耗时长且不易修改优化。伴随着科学技术水平和信息化程度的不断提高，通过平面或立体手绘表达辅以手工制作模型的教学实践方法已无法满足培养适应现代社会高素质应用型人才的需求，因此开展工业产品设计类课程的实践教学改革研究工作，对缩短产品研发周期和成本，促进职业教育水平的提升具有很强的理论及实际指导意义。

1  数字建模软件在工业产品模型设计实践教学中的作用

数字建模是指根据设计者的数据、草图、照片、工程图纸等信息在计算机上利用CAD软件构建出三维模型的过程。通过计算机造型可三维动态表现产品工作状态和虚拟装配过程，并可随时参数化修改尺寸、材质和色彩，具有表现直观、灵活度高、成本低、修改周期短等优点，这种区别于传统设计方法的全新设计思维客观上已成为工业设计师必须掌握的重要造型方法之一，它帶给产品设计领域的不仅仅是艺术创作形式的改变，更是创作思维方式上的变革，具有广阔的应用与发展前景。目前主流的工业设计类数字建模软件有UG、Solidworks、Inventor等，艺术设计类的有Maya、Rhinocero、ZBrush等，两者的主要区别在于艺术类更注重艺术性和审美，工业类更注重产品尺寸和结构关系，更适合零件电子产品尺寸比较高的物体。在课程教学中，主要引入Solidwoks软件进行实践训练。以枪型打火器产品为例，学生手绘设计稿如图1所示，学生数字建模图如图2所示，两种模型绘制方式的优劣对比如表1所示。

由表1可以看出，在工业产品设计实践教学中，采用数字建模的优势在于耗时短、效率高，具有参数可反复修改、可混合建模、动态演示观察、动画拆分等优点，不仅可以培养学生对三维空间造型的理解能力和作图表达能力，对产品的遮挡关系、装配关系有更加直接的认知，从而有效把握平面设计与空间三维造型之间的关系，还有助于提高学生对工业产品设计与加工关系的认识，为之后的加工制造提供多元可靠的数据支持。

2  FDM打印加工在工业产品模型设计实践教学中的作用

从20世纪80年代末诞生至今，3D打印由于具有高度柔性、可CAD模型直接驱动、成型快速、技术高度集成等特点在日常生活和工业生产中得到了广泛应用，而熔融沉积成型（FDM）工艺因设备简单、成本低廉和快速高效等优点，成为3D打印技术中一种发展成熟、应用广泛的类型[2-5]。

FDM打印技术原理是采用离散方式产生空间小三角形面片逼近实体模型，并沿高度方向进行分层切片，获得可供FDM打印机识别的模型文件，打印机在读取每层的数据信息后，控制软件将运算产生加工轨迹并将低熔点丝材（ABS、PLA）加热至熔融状态，通过喷嘴将丝材选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成制件截面轮廓，当一层成型后，工作台下降一个截面层的高度，喷头再进行下一层的涂覆，往复循环最终得到一个三维实体[6，7]。

由于FDM打印的增材制造，快速高效且不受复杂的曲面和结构限制，人们的创意和想象更具发挥的空间，产品模型设计将具更丰富的可能性，为产品的工程设计、制造以及市场营销提供了更为全面高效的参考。为此，在实践教学中引入FDM快速成型打印制造，如图3所示，学生在分组线上学习FDM工艺流程和设备操作技能点后，线下利用FDM打印机进行实操，如图4所示为学生FDM打印实践作品。可以看出，在课程设计实践教学中采用FDM打印技术，能强化学生们的实践技能，提升自主分析和解决问题的能力，从而加深对产品设计理念的理解。

3  基于数字建模和FDM打印技术的工业产品模型设计实践教学案例

虽然数字建模对工业产品造型设计实践教学起到了强大的辅助作用，但由于产品总体设计是否合理、零件之间有无干涉在使用虚拟数字模型时存在不确定性，想象过程较为抽象，对不少高职学生来说仍存在困难。此外，建模过程只是单纯进行模型设计和构建，无法对产品实物进行比对与评估，故整个学习过程无法实现闭环控制和学习效果最终评价[8]。因此，在教学实践中，通过引入数字模型设计并结合FDM打印加工演示验证，可在短时间内完成产品设计和制造，大大节省了加工成本和时间，提高了制造效率，产品直观形象，在教学实践中具有很强的灵活性和经济性。

以创意笔筒设计为例，学生以小组为单位，针对上述主题进行产品创意设计，提示在具备吸引力和表现力的同时，兼顾产品的功能与实用性。如图5到图10所示，学生通过构建二维草图、实体旋转切割、零部件装配、材质渲染等步骤完成了模型建立。其中，A组同学以哆啦A梦的百宝袋为切入点，将袋子创意改造为放笔处，如图5所示，功能造型兼备，令人爱不释手。B组同学则是将雪人的手臂改造为插笔处，如图8所示，两个清新的小雪人手挽手，也可作为情侣间礼物馈赠，以示风雨同舟。可以看出，产品在通过数字模型的形象表达后，生动直观地反映了设计理念和功能要求。再将数字模型stl格式化后，即可直接用于FDM打印加工，无须准备任何模具、刀具和工装夹具，几个小时即可完成整个笔筒模型的制作，相较于其他制作方法，更加高效便捷。除了快速性，质感方面，从图7和图10中可看出产品整体光洁度良好，哆啦A梦的五官和雪人帽檐的花纹的细节也得到清晰表达。但需要指出的是，在评估环节发现A组存在笔筒比例过小、放置不稳定的问题，提示学生后续可通过将笔筒镂空或放大比例进行改进和优化。

4  基于数字建模和FDM打印技术的工业产品模型设计实践教学特点

传统工业设计流程中主要以手绘技巧和手工模型制作为主要表达方式，对绘图技法、透视原理、空间造型、审美能力等有较高要求，随着信息化技术手段的不断进步和发展，将三维数字化建模和FDM打印制作引入工业产品模型设计教学，能有效降低不同层次学生进行产品设计表达的门槛，相对于传统的课程教学方式，其特色主要体现在以下几个方面。

4.1  在传统技艺的基础上实现课程教学手段创新

手绘表现技法是一个将思维物化的过程，是产品设计师自身设计思维表达的路径，它不同于一般的艺术创作，而是需在传统技艺的基础上，更有针对性地了解产品功能和结构，它不仅仅是设计师个人风格的体现手段之一，更是工业设计师与投资生产商之间进行沟通交流的媒介之一。但通过将图片、文字、符号等内容以视觉化的方式静态呈现于纸上的形式，在产品表现上仍略显单薄。为此，通过数字建模软件进行产品设计，可随时参数化修改产品的尺寸、材质和色彩，得到的数据模型再通过FDM打印，可突破材料、空间的界限，使产品表达快速具象化、多维化，整个环节经济快速，非常适合高校的教学实践环节。同时，学生经过对模型的自主探索推敲并优化设计这一完整连续的实践过程，能有效加深感性认识，并弥补在校进行产品设计时经验不足的问题，有效提升了教学效果。

4.2  以赛促教实现课程教學内容创新

在实践教学过程中，依托1+X增材制造设备操作与维护职业技能等级证书考核和职业技能大赛“工业设计技术”“工业产品造型设计与3D打印”等相关赛项，将竞赛内容、技能考核要求融入课程内容架构和课程考核评价，通过选取有代表性的产品案例，如自主设计多功能笔筒、儿童理发器、扫地机器人、便携台灯、便携加湿器等，由浅入深，通过任务驱动，引导学生完成项目实战，充分给予学生自由发挥的空间，使教学内容呈现多样性，大大提升了学生的学习兴趣。

4.3  线上线下混合实现课程教学模式创新

如图11和图12所示，线上通过信息化教学平台将数字建模过程和FDM打印的技能点以视频、动画、多媒体等形式进行讲解，如图13所示，以小组讨论、头脑风暴、在线测试等方式与学生进行互动，线下通过分组实操、组间互评、教师点评等方式进行设计实践，通过线上线下混合教学，突破传统教学时间、空间限制，为做而学，以学促做，做学相长，全面检验了学生自主学习能力、实际操作能力、团队协作能力和创新设计能力。

5  结  论

将三维数字化建模和FDM打印制作引入工业产品模型设计教学，利用计算机生成的虚拟模型模拟产品的外观造型、色彩、质感及人机关系，并利用先进的快速成型手段进行产品原型制造，具有直观、迅速、易于修改等优势，使设计工作各个环节高度整合，有效改變原本重复的基础性工作，有助于加快设计进度，提高工作效率，在更高层面上提高设计品质。同时，通过课程教学手段创新，有效降低了不同层次学生进行产品设计表达的门槛，对学生设计思维的活跃和灵感激发具有深入、完善的积极作用，实现了教学过程的闭环控制。

依托1+X考证及其职业技能大赛，将竞赛内容、技能考核要求融入课程内容架构和课程考核评价，通过任务驱动，引导学生完成项目实战，充分给予学生自由发挥的空间，使教学内容呈现多样性，大大提升了学生的学习兴趣。

借助现代教育技术、互联网技术和信息技术优化整合教学资源，通过混合式教学模式实现线上线下优势互补，突破了传统教学时间、空间限制，有效帮助教学目标顺利达成。

参考文献：

[1] 张楠楠，许莉钧，李学强.3D打印技术应用对工业设计新模式探索的启示 [J].艺术科技，2016，29（8）：23.

[2] 秦鹏，靳国宝，胡金兵，等.FDM工艺参数的优化以及对成型质量的影响 [J].新乡学院学报，2020，37（6）：55-59+64.

[3] 杨钦杰，李佳汶，李明，等.熔融沉积3D打印设备研究进展 [J].中国塑料，2022，36（2）：157-171.

[4] 卢秉恒.增材制造技术——现状与未来 [J].中国机械工程，2020，31（1）：19-23.

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

[6] 吴淼，谷育红.3D打印技术在SolidWorks三维建模教学中的应用 [J].造纸装备及材料，2022，51（1）：235-237.

[7] 梁焱，梁丽.SolidWorks与FDM组合模式的教学应用 [J].中国现代教育装备，2015（9）：10-12.

[8] 卜祥安.机械三维建模及3D打印课程教学模式研究 [J].数字通信世界，2021（3）：225-227.

作者简介：胡星晔（1981—），女，汉族，福建福州人，副教授，硕士，研究方向：机械设计、增材制造。

收稿日期：2022-10-10

基金项目：福建省增材制造创新中心开放课题（ZCZZ202-03）