3D打印在产品设计教学中的层级应用研究

郑泳华

（漳州城市职业学院 文化艺术创意系，福建 漳州 363000）

一、前言

目前，被喻为人类世界的第三次工业革命的3D打印技术正受到社会各方的广泛关注，而“互联网+”科技发展战略思想也正在倡导，包含制造技术与信息科技的智能制造模式正在深深影响整个制造业。3D打印技术是一种快速成型技术，利用粉状、丝状或片状的塑料或金属等材料，通过分层打印、逐渐叠加的方式来构造三维物体。[1]3D打印技术逐步应用于航空航天、工程建筑、机械制造、生物医疗、艺术设计等领域，作为人才培养基地的教育领域也开始对其审视与关注。借助它，学生不仅可以享受到这种高新技术辅助教学的便利，还可以用全新的方法学习设计技能，提高他们的技术素养并对他们未来的职业规划产生一定的影响。鉴于此，本文先从3D打印技术在高校教学中的不利现状入手，从层级论的角度重新审视3D打印技术，以功能应用、思维应用、情感应用三方面，全方位地推进3D打印技术在产品设计教学中的应用效果。

二、3D 打印技术在高校实践教学的应用现状

3D打印技术在高校教学中的推广是一项庞大的系统工程，需要政府、企业和高校三方面共同努力，需要经历较长期过程。当下还处于发展的初期，政府的宏观规划还未正式启动，教育系统中的3D打印技术发展处于无序状态，各高校独自研究，彼此间缺乏交流，同时高校间发展不平衡。[2]一方面，清华大学、华中科技大学、西安交通大学等多所知名高校在3D打印技术方面研究取得了长足的进步，其激光直接加工金属技术、生物细胞3D打印技术等已经处于世界先进水平[3]；另一方面，众多普通的、中西部高校对3D打印技术的了解仍处于讲座宣传与理论学习阶段，谈不上应用推广。另外，各学科应用情况也不相同。机械工程、数控技术、材料科学、生物工程等少数学科因与3D打印技术领域相关，拥有数字文件资料、机械制造知识与软件建模能力而率先进行尝试，而其他学科因遭遇技术壁垒而望尘莫及，应用难以展开。由此可见，目前3D打印教学应用范围比较有限。

更为甚者，3D打印教学应用层次也不乐观，以前述的机械工程、数控技术、产品设计等学科为例。首先，与专业知识联系不紧密，纯粹“造物”的目的比较明显。大多从网络上直接下载模型文件，打印出来当教具让学生观看与触摸。其次，在3D打印教学中花费大部分时间讲授建模软件，将软件的使用凌驾于设计和造物之上。再次，学生跟随式的学习，完全按照教师的制作步骤或范例完成作品建模与打印。如此任务式运用，学生思考空间有限。

针对以上情况，我们有必要对3D打印技术进行重新审视，深度挖掘其蕴含的精髓。只有了解得更深，才能应用得更广、推广得更好。

三、3D 打印技术的再认识——层级论

宋代禅宗大师青原行思提出参禅的三重境界：参禅之初，看山是山，看水是水；禅有悟时，看山不是山，看水不是水；禅中彻悟，看山仍是山，看水仍是水。这段话讲的是人生不同认识阶段与参悟。作为3D打印技术的使用者，笔者认为认识3D打印技术也要经历这样的三层境界，学会从层级论的视角全方位、多角度地了解该技术。

（一）3D打印技术层级论

3D打印技术层级论认为3D打印技术是有层次结构的，认识与掌握它分为三个系统层次，即“物”“根”“魂”，三者由低到高，由外而内排列。教学要从基本的子概念、子技能出发，逐级向上，逐渐学习到高级的精神技能。[4]

1． “物”层面，反映3D打印技术的技术特征。3D打印技术上可打印飞机轮船，下可制作纽扣别针，材料上涵盖塑料、陶土、金属、木塑，形态上包括各式复杂曲面，多层面等，3D打印“物”性异常强大。

2． “根”层面，意旨3D打印技术附带的思维品质。它缘于现有的减型工艺对设计思维诸多束缚的不满，力求将自由设计思维、批量定制思维、平台服务思维、协作服务思维慢慢渗透于使用者脑中，3D打印之“根”源远流长。

3． “魂”层面，反映3D打印技术的精神意念。涵括层层相加理念、不断打印、修正的验证理念、熔融沉积理念，这些理念易使人产生情感触动，诱发深刻思考。

（二）3D打印技术层级结构与家具设计教学应用情况之间的映射关系

映射关系分为三层面：有形的、“物”层面映射——关注3D打印技术的功能应用方法；“根”层面映射——关注3D打印技术的思维应用方式；“魂”层面映射——关注人在3D打印技术教学应用中的感受与情感。3D打印技术与产品设计教学相互融合，映射出的关系图如图1所示，映射图从理论上指导我们如何在产品设计教学中应用3D打印技术，同时在应用过程中充分研究与关注涉及元素，争取将3D打印技术教学应用全方位、多层级展开。

四、在产品设计教学中多层级、渐进式地应用3D打印技术

针对当前3D打印技术教学应用集中于打印原理的掌握、教具的打印与软件的学习等初浅层次，本课题主要从3D打印技术的思维应用与情感应用等深层次入手，旨在为各同仁提供跨越物质层面的有效参考。

图1 3D打印与产品设计教学中应用情况之间的映射关系

（一）功能应用

此应用着重把握3D打印技术如何与产品设计课程知识点的融合，带领学生养成独立思考，认真探索的精神。

1． 制作经典产品模型，并进行细细品味

在产品设计史的教学过程中，对于战国床、圈椅等几百年前出现的经典产品（图2），以多媒体图片呈现显得不够生动。可应用3D打印技术打印相应模型，让学生从360度、全方位空间进行观察，从而能更直观准确地认识产品形态和尺度。在此基础上，引导学生对作品形态与风格进行分析，探究形态的由来与内涵，品味风格的个性魅力。

2． 再现家具产品卯榫，创新家具连接方式

榫卯结构复杂，种类繁多，但是不能随便拆卸观察，神秘感强烈。以往在讲解该方面知识时，学生一脸朦胧，就算加上视频观看，学生也难以理解。通过导入3D打印，学生观看制作的卯榫模型（图3），并在教师引导下动手组装，学生兴趣高涨。此后以分组的形式，让学生建模一些复杂的卯榫部件，并不时进行讨论与研究，促使学生将卯榫要点牢记于心。当课程结束后，教师把卯榫模型收起时，学生们还能清晰地画出卯榫结构图，掌握情况异常良好。

图2 圈椅的照片图与3D打印模型

在此基础上，教师展示了匈牙利的设计师 Olle Gellert 设计的可应用于模块化家具产品的3D打印连接件（图4），并引导学生思考，同时要求他们应用3D打印技术对卯榫结构进行简化与升级，创新出更多样的家具连接形式。学生似有启发，带着问题，努力思考，虽还未设计出经典样式，但是探索精神不断增加。3D打印技术既发挥了三维展示作用，又发挥敦促思考的功能，应用前景欣欣向荣。

3． 更新家具生产制作教学内容，凸显工艺优越性

不再让学生了解众多机器特征与参数设置，不再记忆众多生产工艺流程与要点，不再需要到繁杂的工厂中进行动手与实践，有的则是3D打印工艺的简化与高效，腾出更多的时间，正可以进行产品创意设计的引导，教学效率大大提高。

图3 圈椅卯榫结构图

图4 Olle Gellert 设计的特色3D打印连接件

图5 《树根家具》与《多孔架》

图6 定制椅与定制架

（二）思维应用

3D打印技术教学应用逐步推进，漫步至思维应用层次。将此思维模式应用于课堂，对学生的思考方式、学习态度产生积极影响。

1． 应用自由设计思维进行产品概念设计

自由设计思维指设计者可以无需考虑制造的可能与否，可以突破传统工艺的限制，设计异常复杂的产品。基于此，结合产品概念设计的要求，教师将设计的灵活度进行更大地提升，提出“自由形态拟合”“创意无限”的口号，鼓励学生应用多元、非线性的价值观取代传统的线性思维结构，让审美逐步向动态与多维方向拓展。经过如此自由教学，学生右脑思维逐步打开，作品形式愈加丰富。如图5，公伟程同学的《树根家具》借鉴树根结构用自然选择的遗传算法优化整个设计，通过参数的调整改变椅子的造型达到椅子的“生长”，整体成型工艺缩短了生产供应链，这与可持续发展的设计理念不谋而合。陈昭同学的《多孔架》设计突破了结构方面的限制，创新性十足。

2． 应用批量定制思维开设“定制化产品”专题设计并尝试承接定制业务

批量定制思维是关于3D打印核心竞争力的思维。批量定制个性化产品使得机械化流水线生产困难，呼唤智能制造的3D打印技术出现。[5]通过开设“定制化产品”专题设计，并以威客平台上客户实际需要为选题，最后在淘宝、京东网店上进行定制销售的整体流程，将批量定制思维烙印于学生头脑中，使之了解定制市场的需求情况，同时还让他们接触消费人群，提高其与人交际沟通能力。经过定制专题教学，学生打印出自己的设计作品，并有两个学生实现销售业绩，整体效果良好。如图6，苏鹏同学的《定制椅》与张真筝同学的《定制架》，结合客户的要求与自身的发散性思维打印而成，得到了客户的喜爱与好评。

3． 应用平台服务思维搭建3D打印服务云平台

平台服务思维是关于运作模式、组织形态的思维。在教学中，专任教师本着高新技术服务大众的精神，让一批兴趣浓厚、上进心强的学生申请创新创业基金，尝试搭建3D打印服务云平台，向其他专业学生提供3D打印服务。平台以数据库为核心，以实际问题为导向，以创新创造为目的。通过3D打印机与实验相结合的学中做、做中学的模式，掌握原理；通过3D打印制作实际案例，用所学原理解决问题；通过诸多案例训练，掌握综合知识应用，利用3D打印实现创新设计。[6]旨在培养学生的自学、思考、动手、解决问题以及创新创造这五大能力。平台现还处于模拟阶段，架构之路还很长远，但已得到校方的大力支持，希望在不久的将来进行实际推广，广泛服务大家。

4． 应用协作创新思维加强校企合作，促进产学研

协作创新思维是关于专业边界的思维，是以技术增值为核心，政府、企业、高校为了实现3D打印技术突破而展开的跨度融合的创新组织模式。在贯穿3D打印技术的产品设计教学中，企业为课程建设提供资金、技术，学校提供相应人才，双方共同组建研究实验室，挖掘3D打印技术价值，推动新技术教育推广并实现企业的应用。

（三）情感应用3D打印技术的教学应用亦步亦趋，层层递进，逐步上升到质的层次，发挥其情感效能。

1． 层层叠加理念感受自身造物的快感

在产品设计教学中，经教师指导，通过软件的建模，生成虚拟的三维产品形态。将此虚拟数据导入3D打印设备，后经历几个至十几个小时的层层叠加，3D建造物孕育而生。学生惊叫，激动，心中欢喜之至，第一次体会到亲手塑造，自我把控的造物快感。在此关键时刻，教师讲述人类生命的孕育以及自然的造物过程，学生认真聆听，似有所思。后经历多次建模，多次打印，多次长时等待后，若干学生由刚开始的不耐烦，来回走动，到后期静坐等待，视线随着3D打印机丝线的吐动而移动，神情有所凝重，逐步感受到造物的不易，并体会到父母养育自身的艰辛，心智有所成长，操作过程更加仔细。同时，他们也感叹3D打印机的忠实，坚决执行操作者发出的命令，无论多久，一丝一线慢慢叠加，凭着一种锲而不舍、坚持不懈、一心一意的精神高额完成任务。层层叠加、逐步成长，确实是耐人寻味，也给学生不少启示：产品设计专业知识虽然繁多，要点难以理解，但是只要坚持不懈，逐步积累，假以时日，必定学有所成。

2． 不断打印不断修正的验证理念体验自造物蜕变进化过程

在产品设计教学中，根据教师的布置与要求，经过充分的讨论并应用发散性思维，学生设计并打印出较为满意的作品。由于电脑中的虚拟形态与实体性产品存在本质差别，制作的打印物必须经过尺寸、结构、受力、材质、人机工程的测试与检验。其中任一方面没有达标，则需重新设计、修改并再次打印，如此过程可能重复多次。经过不断打印不断修正，不断验证，不断去粗取精，自造的打印物蜕变进化，不断完善。经历如此艰辛过程，学生对3D打印技术有更深的理解：机器打印的不单是外在的形，更多的是内在的质，里外结合，表里如一。由此联系到个人，学生或有启示：个人应积极参加专业实践与社会体验，经历风雨的洗礼，越过人生的磨练，才能不断提升自己，茁壮成长。

3． 熔融沉积理念感受自造物适应需要、优胜劣汰法则

在产品设计教学中，应用3D打印设备打印产品模型时，固态丝状材料如ABS在高温状态下加热至熔融状态，加热喷头将半流动状态的热熔材料挤出，材料迅速固化形成截面轮廓。当前层成型后，喷头上升涂覆，层层堆积成三维产品。由此可看出，存在物根据实际需要被迫性或适应性的改变自身某些缺陷或不足，适应环境，优胜劣汰，后逐渐完善自身。联系到做人也是如此，课堂有一定的纪律，社会有一定法则，学生应该破除懒散、松弛、个性化太强的缺点，认真学习，主动适应社会，深入专业实践，争取学有所成。

综上所述，3D打印技术在产品设计教学中的应用是多阶段，递进式的过程。达到功能应用，改变教学秩序，形成积极课堂；达到思维应用，学生知识面扩大，思维活跃，交际能力提高；达到情感应用，学生情感触动，心智积极成长。

五、结论

一切新技术在教学中的应用要想取得良好效果，都有一个在今天的社会语境中重新诠释和推陈出新的问题，经历一个衍变，这个衍变就是对3D打印技术层级论的深入认识，将3D打印技术在产品设计教学中的功能应用、思维应用与情感应用三者合一，形成三位一体的应用模式，达到系统化的教学层次。