3D打印在艺术设计实验教学中的应用探索

摘"要：3D打印技术应用在实验教学中，对丰富课堂内容、创新教学模式具有重要意义。结合目前文创产品的设计特点，3D打印能够搭建起“创新设计”与“快速制造”之间的桥梁。学生将不同的文化元素进行融合创新，提出设计理念，通过SolidWorks建模软件，把创意构思呈现到三维模型上，进行操作性实验，打印出文创产品，有利于学生对专业知识的掌握，同时能够激发学生的学习兴趣，培养学生的自主设计和实践动手能力，实现所想即所得。3D打印技术引入艺术设计实验课程中对教学改革和思政课程融入也具有借鉴作用。

关键词：3D打印；实验教学；三维模型；文创产品

3D打印技术广泛地应用在产品设计、生物医疗、航空航天、教育科研等领域，对推动社会经济发展具有重要作用［1］。相比于常规的平面打印，3D打印是使用计算机辅助设计软件创建一个数字化模型，在使用切片软件将其切割成薄薄的层次，3D打印机按照这些切片逐层堆积材料来构建物体。如图1所示是3D打印机的原理，使用3D打印技术具有加工速度快、精度高、设计灵活、节省材料等优势。以模型设计为基础，根据用户需求设置个性化的打印方案，搭建起“创新设计”与“快速制造”之间的桥梁，积极探索3D打印技术在实验教学方面的应用，对课程改革、思政课建设、提高学生的设计创造能力及其思维开发具有重要作用［2］。

一、3D"打印技术在实验教学领域的研究现状

3D打印技术逐渐进入校园，开设相关的实验教学课程，对学生进行创新教育，指导学生将创意想法转变成立体实物，对学生技能培养和教学课程改革具有重要作用。在国内高校，西安交通大学的桂亮等人［3］将3D打印技术引入创客实践教学环节中，培养大学生的创新创业能力；广东工业大学的陈子豪等人［4］以立体裁剪课程为例，将3D打印技术应用在服装设计实验教学中；天津大学的赵庆等人［5］提出基于CDIO（构思—设计—实施—运行）模式的3D打印实践教学，以产品研发到产品运行为周期，使学生既能学习专业知识，又有足够的发挥空间，学生的综合能力得到显著提高。3D打印技术融入实验教学体系中，不断探索教学新模式，努力培养出具有科技素养和专业技能的现代化人才。3D打印技术可以制造出多元化、个性化的创意产品，其生产方式灵活便捷，逐渐应用在实验教学领域［6］。

（1）借助3D打印实验室平台，引导学生开展课题设计，掌握产品的制作流程。实验教学环节引入3D打印技术，可以培养学生的创新设计能力，使用3D打印机，打印出个性化的实物，使学生将理论学习与实践制作相结合。

（2）依托3D打印实验室，能够培育大学生创新创业基地。诞生一些大学生创新创业项目，促进产学研结合，形成创意—创新—创业的产业化研发平台。

（3）3D打印实验室为师生参与各类创新竞赛提供有力的支撑和辅助。3D打印技术能够迅速将学生的创意设计通过打印机转变成特定的产品，作为学生参赛时的实物作品，能够清晰展现产品设计流程以及功能实现，锻炼学生的综合能力。

二、3D打印在艺术设计实验教学中的应用

（一）3D打印技术对艺术设计方式的改变

3D打印技术正在以其对设计创新的强力支撑改变传统的实验教学途径。在实验教学中，按照“构思—设计—实施—运行”的教育模式，启发学生将文化特征与艺术特征进行结合，选择文化元素，进行提取设计，使用3D打印技术将文创设计理念呈现到产品上，指导学生打印出文创作品，这种立体打印制作过程将二维平面的艺术创作扩展到了三维空间，使学生能够将自己的想象绘制出来，并且转化为实际的三维模型。3D打印技术应用在实验教学中，对丰富教学内容、开展创新教育、进行实践教学改革，起到积极的推动作用［7］。

（二）3D打印技术使文创产品创作形式更加多样

生产出兼具产品形态与功能的文创产品，使文化艺术的传播表现形式更加丰富多样，在一定程度上加深人们对文化的理解。文创产品是能够表达人文情感和满足个性化需求的产品，将3D打印技术与文创产品设计理念进行有机结合，精确还原设计创意和思路，同时通过调整电脑设计模型，打印出实物，每一件作品都可以是独一无二的，能够掌握创意产品快速制造的新方法，也突出了设计作品的独特性和价值效应。3D打印技术让产品设计不受制造技术的约束，使设计师实现“所想即所得”，为文创产品的各种创意造型实现提供了可能［8］。丰富多样的文创产品走向旅游市场，获得的良好销售业绩反哺艺术设计教学，增加了学生和学校等创作源头的收入，改善了实验教学条件，形成了良好的正向反馈机制。不断涌现的新形式艺术品创作，不仅扩充了艺术品种类，而且能更快进行仿形和改型设计。

（三）多学科合作与创新

3D打印技术被广泛应用在实验教学和创新能力培养。通过搭建多学科融合的3D打印平台，可以打破传统教学的壁垒，促进不同专业之间的交流与合作。科技助力文物“重生”，3D打印技术进校园、进课堂，广泛应用在文物艺术品复制与修复上，通过信息采集和模型建立两大步骤，即使用3D扫描仪记录文物的外形和细节，获取三维数据，然后将其转换成可打印的3D模型，从而实现对文物的修复、保护和传承。

浙江大学与云冈研究院合作，用3D打印技术原比例复制了云冈石窟第12窟，实现了全球首例可移动3D打印复制洞窟，用扫描仪扫描，把整个石窟定位在坐标系当中，获取它整体的形状架构，现场采集完后，在计算机上对每一个细节做后处理运算和人工修补，得到一个完整的石窟模型。做展示时，根据石窟的形状和3D打印机的幅面，切成很多很多的小块，再进行3D打印，之后拉到目的地，分层组装进行布展［9］。将传统技艺与现代科技深度融合，保存文物信息，探索3D打印应用的各种可能，使文物呈现结构的完整性和艺术的完美性，重获新生。

3D打印应用在建筑沙盘教学实践中，实体建筑沙盘模型可以根据用户需求，使用3D打印技术进行快速成型打印制作，相对于传统建筑沙盘制作工艺，具有模型造价低、节省时间、修改灵活、材料利用率高、精度高等优势。以学校里面的建筑景观为研究对象，进行建筑沙盘3D打印，对激发学生的学习热情和提升专业技能具有重要作用［10］，也为建筑设计领域带来了较高的生产效率和设计自由度。通过3D打印实验教学，有助于学生理解掌握专业知识，培养立体空间思维，促进跨学科学习，3D打印技术也在教育领域发挥出越来越重要的作用。

三、3D打印文创产品实验设计

（1）通过介绍3D打印的概念原理、操作方法及应用等，使学生掌握3D打印的基础知识以及“创意设计—三维模型—3D打印”的快速实现过程。（2）选取文化特征元素，提出设计理念，利用3D打印技术将其呈现到产品上。在设计中赋予产品文化内涵，将设计理念转化成三维模型，打印出文创产品。（3）指导学生使用建模软件，进行三维建模，选择SolidWorks软件建立模型并可以在线优化。（4）文创产品的三维模型导入3D打印切片软件中打开，对打印模型进行切片，规划生成打印路径，编译为G代码，将编译好的文件输入进打印设备，确定合适的打印材料，进行打印操作，完成模型制造。

四、学生操作性实验

学生操作性实验以三维模型的建立、HCura"3D打印切片软件和3D打印机的具体使用为主要实践内容。在计算机软件SolidWorks中建立三维模型，将模型保存为STL、G代码或OBJ格式等。在电脑上安装HCura切片软件，将建立好的模型导入进去，进行打印设置，调整打印所需要的参数包括层高、层厚、打印速度和温度等。读取完模型后会在Cura界面上显示该模型所需的打印时间、使用耗材情况。加载完成的模型保存到SD卡中，直接在打印机打印，或者将打印机与电脑连接进行打印。打印完成后，可能需要进行一些后期处理工作，以提高模型的质量或完成度，具体有打磨表面、上色或其他装饰处理。如图3是口哨模型打印6min的效果图，图4是打印17min后的效果图，图5是打印完成之后完整的模型，操作展示过程如图。由此看出，3D打印是使用增材制造的方法，依照CAD三维模型通过逐层堆叠材料打印出产品。

基于3D打印技术，与课程教学、大学生创新创业项目、课题竞赛等相结合，进行创新性实验教学，不仅丰富了实验教学内容，而且激发了学生创新创业的兴趣，提高了多学科知识融合应用的能力。

实验教学包括三维设计、增材制造工艺学习、3D打印软件的使用及3D打印机的操作，涉及了“计算机辅助设计”“制图”“特色品牌文创设计”等基础课程，只需要在电脑设计出三维模型，将模型输入3D打印机，便能制作出实物。如图6是学生使用3D打印机打印出来的一些作品。

结语

3D打印技术与传统艺术设计相结合，不断丰富艺术品种类和表现形式，将3D打印技术引入艺术设计实验教学中，指导学生开展一系列创新性实验项目，掌握文创产品设计到3D打印的过程，能够培养学生的自主设计和实践动手能力。不断对教学方式进行新的探索，为学生培养、产学研合作、大学生创新创业、项目竞赛等提供技术支撑，也为今后的教学改革以及思政课建设起到启发作用。

参考文献：

［1］韩荣雷，孙雪冬.创客时代3D打印在高校课程开发的应用研究［J］.沈阳师范大学学报（自然科学版），2016，34（01）：113116.

［2］李俏，伍先明，王鹏程，等.3D打印技术在教学中的应用：以“机械设计课程设计”为例［J］.工业和信息化教育，2020（04）：4244.

［3］桂亮，金悦，赵卫军，等.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用［J］.实验技术与管理，2016，33（10）：181184.

［4］陈子豪，柴丽芳.基于3D打印技术在服装设计专业教学中的创新运用研究：以立体裁剪课程为例［J］.装饰，2019（01）：120123.

［5］赵庆，秦俊男.3D打印技术在实践教学领域的应用探讨［J］.塑料工业，2018，46（06）：124128.

［6］莫远东，连海山，莫德云，等.校企共建3D打印实验室在实践教学中的应用探讨［J］.实验室研究与探索，2020，39（08）：232235.

［7］韩蓉，王宝瑞，王甜，等.应用型本科院校3D打印技术人才培养模式研究［J］.造纸装备及材料，2022，51（08）：236238.

［8］王玮.3D打印技术在艺术设计专业教学的应用与创新：以山东工艺美术学院3D打印技术中心为例［J］.山东工艺美术学院学报，2018（03）：9799.

［9］刁常宇，高俊苹，宁波，等.超大体量石窟文物数字化3D打印再生技术及应用［J］.工业技术创新，2023，10（03）：3240.

［10］朱玲英，杨辉.基于3D打印技术的沉浸式建筑沙盘教学实践研究［J］.数字通信世界，2022（06）：8284.

作者简介：崔蒙蒙（1993—"），女，汉族，陕西商洛人，硕士研究生，助理实验师，研究方向：实验室建设与仪器设备的应用探索。