3D打印技术在模型教学中的实践初探*

束奇 刘敬 崔运静

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555）

3D打印技术在模型教学中的实践初探*

束奇 刘敬 崔运静

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555）

模型制作是很多高校设计类专业的必修课程，模型可以直观地体现设计作品的实际效果。它是学生运用不同材料，采用三维的形式表现设计意图的手段。作者尝试结合新兴的3D打印技术对模型课程教学当中的实践环节进行探索与思考，旨在提高学生模型制作的效率，激发学生主动创新与求新的思维，并提出了研究型实验教学改革的实施效果。

模型制作；3D打印；设计创意；工业设计

前言

十三五规划在实施制造强国战略、全面提升工业基础能力、支持战略性新兴产业发展、加快推动服务业优质高效发展等内容篇章中多次提出工业设计的重要性。在工业设计尤其是各类家电产品的研发过程当中，模型制作是其必不可少的一个重要环节。因为模型具有直观性、完整性以及理性与感性相结合的特性，所以产品在研发上市前必须经过模型样机测试。首先，通过实物模型的制作来检验产品在使用过程中可能会出现的问题以及不足，来进行后期的修改与优化。对降低产品投入市场后出现质量问题的风险有巨大的帮助。其次，产品样机模型依照设计方案的三视图进行精确加工制作，使用真实产品所用材料根据实际加工工艺来进行表面处理。模型的色彩尽可能的采取模拟仿真的手法将产品的结构功能、尺寸特点、连接方式等较为清晰的表达出来，这样才能为研究人机关系、结构尺寸以及外观造型提供合理的参考依据，真正为项目的审批立项做好准备工作。模型也是研究型实验教学开展的基础和前提［1］。正是因为意识到模型制作对工业设计专业的重要性，所以我国很多高校都将模型制作指定为专业必修课程。

在实践教学当中模型制作课程的实验内容一般包括石膏模型制作、油泥模型制作、手板模型制作等方法。其中石膏模型制作成本低，但对手工艺的要求较高，对复杂曲面的制作很有难度，比较容易出现误差；采用油泥制作模型的方式同样成本低，但制作周期较长；以上两类实验内容在课程当中所占的比重也相对较低。而手板模型因为使用的是ABS塑料或者热成型树脂来进行制作，成品与真实产品的实际效果最为接近，所以成为模型试验课程的重点内容。3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，经过近20年的发展，已经度过了仅仅针对高精尖产业服务的阶段。很多小型3D打印机已经走入了普通家庭［2，3］。将这一技术引入手板模型的实验教学所需要的硬件条件已经具备，在实验课程当中尝试使用3D打印技术可以提高教学效率、激发学生的创新热情、改变原有的教学及评价体系对于培养复合型创新人才具有重要的意义。

一、3D打印技术在模型制作中的优势

（一）提高实验效率

模型制作实验课程传统的实验方法是学生在进行构思时，先将其设计构想体现在草图上，然后利用各种制作材料和设备将图纸上的想法，转化成实际的形态，帮助学生以最快的速度、最高的效率观察并调整自己的设计效果。而这样的转化能力正好是目前教学当中的瓶颈，随着大量的草图绘制，其中必然会有一些比较好的细节随之产生并被选择到最终的方案当中。在教学中草图方案的对比选择是从草图构思到产品造型初稿的重要步骤，耗时较长。主要从市场调查分析、产品性能要求、制造工艺和外观审美等方面进行综合对比分析优缺点，并做出选择和优化。确定最终方案后，接下来将对其进行三维模型的创建和效果表现。经过大概6～8个课时之后才能开始模型制作，一件模型的制作过程一般来说需要16个课时左右的时间。可以看出模型制作课程实验课时如果按照48课时为一个单元来计算，那么按照传统的实验流程来进行模型制作的话，学生在整个教学单元当中最多可以对模型方案进行一个轮次的修改。而引入3D打印技术之后，一个模型的制作时间仅需要大概4个课时的时间。学生有充足的时间进行反复思考，来对模型进行细致的推敲修改。在这一过程当中教师也可以更多的参与到发现问题和解决问题的教学研讨当中。

（二）优化实验流程

模型制作课程的教学环节主要包括课堂讲授（特定材料特性、成型工艺）、示范操作（成型过程、设备使用方法）、教学指导（课堂实践、课程总结等）。从全局统筹安排模型制作实验课程，合理安排各类实验材料的计划学时，使学生跳出模仿的框架，真正思考如何进行创新设计。随着新的3D打印教学模式的引入，课程教学更加强调学生前期的创新设计能力，在开始手工制作之前就能利用计算机技术确定优化的实验加工工序将切实的缩短模型制作周期、降低制作成本，有效地提高学生的工程实践能力，将学生从重复的体力劳动中解放出来。增加探索性实验比例，使得实验课程真正做到“产学研”深度融合，消除实验教学与厂家实际应用技术的代差［4］。同时使学生掌握新技术，新设备，提高毕业竞争力，符合市场要求。

二、模型制作实验改革的具体举措

（一）实验教学内容的改革

3D打印技术引入模型实验教学后主要有以下几点重点改革：

1.要求学生在设计初期，对现有设计进行创新或者改良，同时利用三维建模软件建立三维模型。这样让学生在模型实验开始之前就对自己的方案有了一个直观的认识，使得后期的制作过程不再是摸着石头过河，让学生的创意思维可以有的放矢。

2.利用泡沫等材料制作草模，来评价和修改设计方案，并将修改结果反馈在三维模型中；在深入设计阶段，利用油泥和石膏制作出相应的工作模型，来检验设计的人机性、结构性和功能性；新的教学模式并未完全放弃传统模型实验教学的教学内容，而是尝试将新技术与传统工艺有机融合在一起。

（二）实验教学中存在的实际问题

在教学的过程当中由于学生刚刚开始接触3D打印，对于打印材料和程序的设定都还不够熟悉，所以在制作模型的过程当中经常会遇到模型的错层，翘边等问题。目前国内市场上的3D打印机主要使用的打印耗材为ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）和PLA（Polylactic Acid）两种塑料。从打印精度上来说PLA要优于ABS，但是PLA打印成品不易打磨去料进行精细加工。后期进行模型的表面处理时不如ABS塑料成品工序效率高［5］，所以我们在模型实验课程中主要选用ABS材料来进行打印制作。但是这样也带来了以下问题。

1.ABS材料在打印的过程当中容易因为材料本身的特性而发生细微的扭曲变形。在实践当中我们发现，可以通过以下几个方法来进行改善或者避免这个问题。首先我们可以改变打印预热设置。一般来说PLA材料不用太过在意预热底板温度，70℃就可以满足要求，但是ABS塑料就应该设置为110℃左右（根据室温上下浮动2℃）。其次在打印之前应该注意设置打印的brim参数，即在模型的最下一层向外多打印的圈数。

2.试验中由于震动或者电源的原因，打印时可能还会出现错层的现象。一旦出现这种情况，可以说三维实物模型的制作就算失败需要重新打印，而这将会花费大量的时间。为了提高模型制作的效率，减少耗材损失，可以将发现错层的模型及时停机。从打印软件中设置特定的打印层数，从错层处开始二次打印。在打印完成之后将两次打印的成品进行粘结然后再打磨抛光。

由于在课程教学体系中加入了课程评价环节。与上述两个问题相类似的很多实验难点，通过学生之间互相讨论并且由教师合理引导，最终都得以解决。这个环节学生积极地参与到如何改进实验方法的讨论当中，充分发挥了学生在实验课程当中的主观能动性，同时也达到了培养学生团队协作能力的教学目的。

三、新课程体系的实践效果

培养具有创新精神和实践能力的科技人才已经成为建设创新型国家的基础［6］。“以教带学，以学促教”的课程体系实施后，学生无论是在课堂的教学中还是在课外的科技活动中都体现出了空前的积极性。在课堂上学生的创新意识不再停留在原有的简单制作一个模型的概念上，3D打印让传统教学当中的展示模型无限的向企业的样机模型靠近。甚至有同学利用3D打印机制作了部分工件，然后利用网购电机等硬件组装自制了一台3D打印机。而另外还有同学利用3D打印技术重新设计并制作的一台小型激光雕刻机，上述两台设备经过调试都可以完成基本的3D打印功能。这远远超出了我们对学生工程实践能力的预期。可以说学生的潜力是巨大的，当我们找到一把合适的钥匙激发出他们的求新意识之后。他们所展现出的设计构思能力和对不同材质产品的认知能力以及审美意识和开拓创新的精神都较以往有了质的飞跃。

四、结束语

将3D打印技术引入到模型实验教学当中，对培养学生自主学习的实践能力将起到至关重要的作用。并且可以激发创新思维，摆脱一味模仿的惰性学习方法。锻炼团队协作能力，为走上社会打下坚实工程实践基础。对教师来说将这一新的技术引入教学也会对教师的科学素养与工程实践能力提出新的要求。3D打印技术是第三次工业革命的重要生产工具，经过20多年的发展该技术已经更加成熟。现在它已经深入到医学、工程、考古等诸多科学领域，在今后的高校教学当中也一定会得到越来越多的应用与重视。在网络技术极为发达的今天3D打印技术还可以实现在线提交模型文件，可以说该网络功能甚至给我们提供出理想的教学愿景，学生不再拘泥于教室这一固定的学习环境。无论是在哪里，只要有无线网络覆盖的地方都可以随时随地的进行设计方案的实践工作。虽然3D打印技术还存在着很多技术不足，普及起来也许还面临着很多困难，探索3D打印技术推动教学模式改革的路还很长。但是作为教育工作者我们相信，随着现代技术的不断进步这些问题都会迎刃而解。

［1］张红光.开放实验室，培养大学生的创新精神和实践能力［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：16-19.

［2］Rengier F，Mehndiratta A，von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data:review of medical applications［J］.Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（4）：335-341.

［3］董子凡.3D打印：将虚拟“打”进现实［J］.科技生活，2012（23）：5-6.

［4］陆天炜，张文桂，陈燕灵，等.构建个性化实验教学平台，促进创新能力及工程实践能力培养［J］.实验技术与管理，2008，25（8）：129-131.

［5］王灿才.3D打印的发展现状分析［J］.丝网印刷，2012（9）：37-41.

［6］李兆陇，阴金香，麻英，等.构建化学实验平台，促进研究型人才培养［J］.实验技术与管理，2006，23（4）：7-9.

Model-making is the required courses of design specialty in many colleges，model can intuitively reflect actual effect of the design works.It's the method that students use different material to perform design intent in the form of 3D.The author tries to explore and study the teaching practical link with emerging 3D Print，improving efficiency of student's model making，activating students'thinking of initiative and innovation，and presenting the implementation effect of research-oriented teaching reform.

Model-making；3D Print；design ideas；industrial design

G642

A

2096-000X（2016）19-0145-02

本文获得以下项目支持：山东省级教改项目“新时期高校课堂授课艺术与教学技法研究与实践”（编号：2012146）；中国石油大学（华东）校级重点实验教学改革项目“模型设计与制作”（编号：SY-A201411）

束奇（1979-），男，陕西西安人，中国石油大学（华东）机电工程学院工业设计系，讲师，机械设计及理论专业硕士，主要从事工业设计教育研究工作。