基于3D打印技术的产品开发与模具设计实训教学

杨南粤， 周 敏， 李争名

(广东技术师范学院 工业中心，广州 510665)

·实习与实训·

基于3D打印技术的产品开发与模具设计实训教学

杨南粤， 周 敏， 李争名

(广东技术师范学院 工业中心，广州 510665)

在“中国制造2025”背景下，制造业对3D打印技术应用型人才需求非常庞大。从职业教育角度分析了目前3D打印技术应用于实践教学存在的问题，针对这些问题提出将3D打印技术融入传统制造类专业的实训教学，让学生在面向生产、面向制造的职业技能训练中学习3D打印技术并应用于解决生产实际问题。以融入3D打印技术的产品开发与模具设计实训教学为例阐述了上述方案的实施。实践证明实训与企业岗位需求相结合，对于培养具有3D打印技术又能应用于专业制造领域的复合型应用人才具有积极的作用。

3D打印技术； 产品开发； 模具设计； 实训教学； 职业教育

0 引 言

3D打印技术作为一种先进的数字制造技术，被英国著名杂志《经济学人》称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[1]。2015年国务院印发的《中国制造2025》中明确指出3D打印技术已成为我国加快实现智能制造的重要技术手段。3D打印作为制造业有代表性的颠覆技术，在工业领域的广泛应用一方面促进了先进制造业的快速发展，另一方面也使3D打印技术应用型人才匮乏的问题日益凸显，特别是掌握3D打印技术又能应用于专业制造领域的复合型应用人才相当紧缺。以珠江三角洲地区制造业为例，目前珠三角地区是我国制造业的生产中心和消费中心，该地区的模具产业规模约占全国1/3左右[2]。而国内的3D打印产业在珠三角地区占据了80%的份额，主要分布在各种制造行业中，但相应的人才缺口较大，例如既懂3D打印技术又能应用于模具制造过程的复合型应用人才企业需求量很大，供不应求。

美国新媒体联盟2014年发布的《地平线报告》对3D打印在教育领域的应用做了详细的说明，指出3D打印能够帮助学习者感受数据采集、物化设计等“制造性学习”过程[3]。3D打印技术在教育领域的应用，为职业教育带来了变革性的影响，使职业教育既面临前所未有的挑战，同时也面临新的发展机遇。3D打印技术不仅为职业教育带来教育教学手段的变化，更带来职业教育思维的变化。面对新一轮科技革命，职业教育如何适应新形势新要求，创新人才培养模式，提高培养质量，为经济社会发展提供强有力的人力资源支撑是一个值得思考的问题[4]。

1 3D打印技术应用于实践教学存在的问题

(1) 缺乏基于3D打印技术教学思维的转化。3D打印技术不仅为职业教育带来教育教学手段的变化，更重要的是带来职业教育思维的变化。职业院校的教师目前缺乏基于3D打印技术教学思维的转化，没有好好思考如何让3D打印技术渗透、融合到教学中去，创新人才培养模式，充分发挥3D打印主导的技术优势提高教学质量。部分职业院校斥资购买3D打印机，然而却没有使机器真正投入使用，3D打印机使用效率低，纯粹是摆设。有3D打印设备不代表有应用3D打印技术的意识，教师在课堂上仍然使用传统的教学方式，如对模型的讲解采用平面挂图、教具模型，以及多媒体技术，却没有考虑使用3D打印技术。有些老师使用3D打印机打印教具辅助教学，但仅仅从“教”的角度出发，没有从学生“学”的角度出发，没有让学生参与到3D打印过程中去实践，去体验，去探索，去反思，让学生从3D打印这个实践性非常强的活动中更好地掌握知识，提高专业技能。当然，这和3D打印设备价格贵，操作不便利，维护维修困难有关，这在一定程度上影响了3D打印技术的推广应用。

(2) 缺乏与专业知识的紧密结合。很多职业院校知道3D打印技术，却不知如何应用到专业中，如何与专业知识进行有机结合[5]。大部分实践教学应用3D打印技术还停留在初级阶段，主要向学生介绍3D打印技术的原理、特点、几种主流3D打印方式(FDM，SLS，SLA，LOM)的成型方法、工艺特点等。学生进行的实践主要是学习3D打印机的操作方法，能够打印一些简单的物体。而部分提高阶段的教学，主要让学生利用光学扫描仪对物体表面进行扫描，采集数据后通过逆向重建软件获得物体的三维模型，然后使用3D打印机实现物体的快速制造[6]。这些应用3D打印技术的实践教学总体来说比较侧重于让学生了解、学习先进制造技术的操作方法与步骤，而与专业知识的结合还不够紧密。能将3D打印技术融入机械零件设计、模具制造、服饰珠宝、汽车维修与保养等专业实践教学[7-9]，使3D打印技术与专业知识相结合，提高学生专业技能，优化教学效果的实践课程相对来说还比较少。

(3) 缺乏与岗位需求的深度对接。职业教育的目的是满足工作岗位的客观需要，教师应以职业岗位需求作为导向，以胜任岗位要求作为出发点进行对应课程的开发研究[10]，培养满足企业需求的人才。但目前应用3D打印技术的实践课程缺乏与岗位需求的深度对接。国家制造业信息化培训中心办主任鲁君尚认为高校和职业院校的3D教育与企业应用需求有差距。一些职业院校开展3D打印技术的实验实训课程，其目的是介绍和推广这项新技术，还谈不上与岗位需求接轨。另外一些职业院校虽然在实践教学中应用3D打印技术，并将3D打印技术与专业知识进行一定程度的结合，主要为了拓宽学生视野，提高学生的动手能力，丰富教学内容，改善教学质量，却与企业岗位需求联系不密切。教师没有对使用先进制造技术的企业作深入的调研，了解其技术岗位，管理岗位对人才的要求，因此无法设计和开发出面向企业需求的3D打印技术实训内容和项目。

2 3D打印实训教学

针对上述问题，结合当前3D打印技术人才需求状况，我们将3D打印技术融入传统制造类专业(如机械制造与自动化、模具设计与制造、汽车制造与装配技术等)的实训教学环节，使3D打印技术与项目实训内容有机结合，让学生在面向生产，面向制造的职业技能训练中学习3D打印技术，并能应用于解决生产实际问题。教师设计和开发面向企业岗位需求的实训项目，使之具有创新性及应用前景，引导学生在学习过程中探索如何应用3D打印技术去解决生产制造过程中的一些实际问题，达到学以致用。传统制造类专业的学生一般都具有智能数字化设计基础，比较容易掌握3D打印操作。学生在融入3D打印技术的专业实训中既掌握了3D打印技术又学会如何应用于专业制造领域。这种面向智造，面向企业需求的实训培养出来的3D打印技术应用型人才在实际工作中能利用3D打印技术改善当前生产制造的某些问题，为企业创造收益[11]，真正实现3D打印技术与职业教育的融合。

快速成型技术在企业的应用越来越广泛，特别是珠江三角洲现代模具企业普遍采用“模具数字建模设计与制造技术”，包括：产品造型数字化设计、模具数字化设计、模具成型零件数字化加工等先进技术。然而大部分模具企业中，技术人员分为产品造型设计人员和模具设计人员，产品设计和模具设计各自独立，造成产品造型、结构设计不符合模具成型加工的工艺性，无法用模具实现批量生产。鉴于此，我们将3D打印技术应用于机电专业的产品开发与模具设计实训环节。该实训与岗位需求相结合，立足于模具行业对人才的职业技能要求[12]，让学生在面向生产与制造的职业技能训练中掌握3D打印技术及其应用，懂得利用3D打印技术解决生产实际问题，实现3D打印技术人才需求与职业院校3D打印教育的无缝对接[5]。

工业领域和人们日常生活中的各种塑料制品，如电器盖、肥皂盒等是通过塑料模具制造出来的。对这些产品进行外形设计时必须考虑塑料零件的结构工艺性，以保证顺利成型。只有产品的结构设计满足成型工艺要求，才能设计出合理的模具结构，进行批量生产。塑料零件的结构设计中对壁厚、斜度、加强筋、支承面、圆角、孔等的设计要求有：在保证产品功能的前提下，零件的几何形状应尽可能使其对应的模具简单，便于加工，因而内外表面应尽量避免侧孔、侧凹或与零件脱模方向垂直的孔；薄壳状零件可设计成球面或拱形曲面以便有效地增加刚性，减少变形；或在适当的位置设置加强筋增加整体强度和刚度，防止变形。但加强筋的布置要均匀，以免引起应力变形；零件上两个孔的间距或孔的边距小于规定数值时，应将两个孔联通或采用凸边予以加强……

产品的外观设计是决定产品能否畅销的因素之一。以非接触式测温仪(手持式红外测温仪)为例，其外形是像“枪”的“倒L形”，外壳零件主要有左外壳、右外壳、液晶屏保护窗、测量扳机等(如图1)。为使测温仪的外形受女性和儿童的欢迎，外壳可根据倒L形设计成海豚、史努比、喇叭等造型。另一方面，由于该外壳是塑料件，需要通过模具制造出来，因此设计人员进行外壳设计时既要注重产品的创意，也要考虑其结构工艺性以满足成型工艺要求。

图1 非接触式测温仪

我校工业实训中心拥有SLA(光固化快速成型)和FDM(熔融沉积成型)两种类型的3D打印机。FDM成型机操作比较简单，对导入的模型可以自动添加支撑，材料利用率高，因此本实训主要使用这种3D打印机，如图2所示。在实训课上，首先让学生按自己的创意及想法设计测温仪外壳的外形，并手工绘制外壳草图，然后通过3D造型软件进行数字建模，再用3D打印机打印出来，如图3喇叭型的外壳。由于有了实体模型，学生无论是自己还是与老师一起根据产品造型分析其结构工艺性的设计都很方便、很直观。将打印出来的3D模型与真实的测温仪对比，可以看到左右外壳必须组装在一起，因此需要在手柄部分设置连接孔，方便紧固连接。此外手柄上还需要有安装测量扳机的孔。另一方面，喇叭形外壳上有弧形的部分是强度、刚性薄弱处，装拆左右外壳时容易导致其开裂变形损坏，此处需要设置加强筋。学生在打印出来的3D测温仪外壳基础上，根据上述分析，按照塑料零件结构工艺性要求对产品的结构形状进行设计。

(a)左外壳(b)右外壳

图2 FDM成型机 图3 非接触式测温仪外壳模型

学生对模型进行结构工艺性设计后再次打印出3D实体模型，如图4所示，在外壳内表面有弧度的地方添加肋板，增加零件的强度和刚度，防止变形。并且多个肋板分布均匀，防止引起应力变形。另外在外壳的手持部分添加了紧固连接孔和安装孔。

学生按照零件结构工艺性要求修改之前的设计并打印出3D实体模型后，教师通过实体模型能方便、快捷、精准地评判其是否符合模具成型加工的工艺性，再进行有针对性的指导，改进设计。譬如图4外壳手持部分靠上的两个安装孔，一般是用模具的型芯成型，而此处两个孔的间距小于规定的数值，将不利于成型和脱模，可将两孔设计成联通孔的结构形式，利于零件成型。学生按教师提出的意见再次修改设计，重新打印出来的外壳如图5所示。

整个实训过程让学生通过设计、3D打印、分析、修改、再3D打印、再分析、再修改……进行反复的实操，最终设计出合理和美观的产品。学生通过这样的实训既掌握了3D打印技术又学会了如何应用于专业领域，解决实际问题。

3 结 语

3D打印技术融入产品开发与模具设计实训具有如下优势：

图4 修改后的外壳模型图5 再次修改后的外壳模型

(1) 提高学生的工程实践能力。3D打印是一个实践性非常强的活动，美国“经验之塔”理论认为3D打印活动提供了丰富的“做的经验”，帮助学习者感受数据采集、物化设计等“制造性学习”过程[3，13]。在实训中，3D打印使学生的设计想法快速实现可视化，在不用开模具的情况下制作出实体原型，学生通过实体原型容易发现不符合模具成型工艺性的设计并进行改进，由此掌握模具成型工艺特点对产品造型设计的要求[12]，设计出更好的产品。学生在职业技能训练过程中一边学习3D打印技术，一边学习如何将其应用在相关制造领域，达到学以致用。这样的实训符合“从实践中来，回到实践中去”的原则，将极大激发学生的学习热情和参与积极性，从而提高他们的工程实践能力[14]。

(2) 增强学生的创新思维能力。在实训中，学生通过3D实体模型能很方便、很直观地与老师或同学一起根据产品的造型分析其结构工艺性设计，从而优化产品设计。学生由此懂得3D打印出来的实体原型能在产品设计与加工工艺之间搭建沟通的桥梁，减少产品设计讨论过程中的沟通障碍，并增加产品可行性评估与验证的可靠性。以后学生在实际工作中遇到类似的问题，可以触类旁通，利用3D打印出来的实体模型与其他技术人员或客户进行直观的沟通，更快更好地解决问题。通过该实训，学生掌握了如何使用 3D 打印技术来辅助产品开发、模具设计和工艺改进。这样的实训拓宽了学生解决问题的思路，提高了学生的创新思维能力，让学生懂得灵活地把3D打印技术应用于实际生产和制造过程中的方方面面。

(3) 培养学生的专业能力和职业素养。融入3D打印技术的产品开发与模具设计实训与专业课程紧密结合，面向企业岗位需求，有利于培养学生的专业能力和职业素养。学生在面向生产，面向制造的职业技能训练中学习3D打印技术，是以解决行业、企业生产或制造方面的问题为目的，在任务和问题驱动下进行“做中学”活动，具有较强的针对性，更能激发他们的探索欲望，提高学习的专注度，并在实践中发挥创造力。学生通过实训掌握3D打印技术并能应用于专业制造领域，在未来岗位工作中将能利用3D打印技术解决一些实际问题，进一步提高3D打印技术的应用水平。

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Practical Teaching of Product Development and Mold Design Based on 3D Printing Technology

YANG Nanyue, ZHOU Min, LI Zhengming

(Industrial Training Center, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

Under the background of “China manufacturing 2025”, the demand of manufacturing for the talent of 3D printing technology is very large. From the point of view of vocational education, this paper analyzes the existing problems of the application of 3D printing technology in practical teaching. Then the paper proposes integrating 3D printing technology into the traditional manufacturing professional practice teaching, which will let students learn 3D printing technology in vocational skills training processes. This could make students master the application of 3D printing technology and know how to solve practical problems in production. The product development and mold design practical teaching based on 3D printing technology is taken as an example. Practice proves that this practical teaching combines with enterprise post, and it plays an active role on cultivating 3D printing technology application-oriented talents.

3D printing technology; product development; mold design; practical teaching; vocational education

2016-10-25

2015年度广东省普通高校特色创新类(教育科学研究)项目：3D打印技术在珠三角地区职业教育中的应用研究(2015GXJK079)

杨南粤(1977-)，女，广东广州人，硕士，讲师，研究方向：虚拟现实技术，职业教育。

Tel.：13380091123;E-mail:gsyny@gpnu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0243-04