基于3D打印技术的眼镜设计工作室教学改革与实践

李艺

摘要：将最新技术3D打印用于眼镜设计工作室教学中，探讨新技术下的教学改革与实践。根据眼镜设计项目的流程，探讨教学过程、教学内容、教学实施融入新技术后的改革与实施。3D打印技术的介入，使眼镜设计整个过程，内容更丰富，设计更眼镜，学生的设计能力得到了更好的锻炼，增强了学生设计成就感，逐渐地提高学生深入设计的能力。促进教学成果的获得。为3D打印技术用于艺术设计其他工作室教学提供参考。

关键词：3D打印 眼镜设计 艺术设计工作室教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）07-0109-03

引言

随着生活条件的改善和经济收入的提高，眼镜不再只为预防近视加深而使用，它已渐渐演变为穿着打扮的一部分，成为人们喜爱的装饰品。眼镜消费的个性化、时尚化、品牌化、高档化的趋势日益显著。

本学院基于珠三角产业需求，在产品艺术设计专业下开设了眼镜设计工作室，主要对接深圳横岗的眼镜行业。在3D打印技术的介入下，与深圳荣威光学眼镜有限公司合作开发了十一款造型独特、设计新颖的时尚眼镜，建立了横向课题“时尚眼镜设计”，多次参加比赛获得奖项，其中参加的中国（深圳）国际眼镜大赛，包揽学生组半数以上获奖名额，受邀参加颁奖典礼，并在现场与横岗眼镜时尚协会签订了战略合作协议，被中国眼镜科技杂志报道，该报道已被中国知网收录。另外申请了外观专利十余项，在《设计》期刊上连续发表了多幅眼镜设计作品。

3D打印技术用于眼镜设计工作室教学中，因为可以将眼镜设计打印成实体，用于验证、完善、修改设计，逐渐提高学生的深入设计的能力，设计能力得到很好的锻炼，极大地激发了学生的学习热情，设计的优秀作品数量较以往成倍数增加，又促使企业主动与校方加强校企合作，签订了横向课题协议，学生获得了企业真实项目的锻炼机会，得到了企业工程师的主动指导，设计的大量优秀眼镜设计作品一方面被企业采用获得了经济奖励，激发了他们学习的积极性，另一方面参与比赛获奖，增强了自信心，教师再带领学生申请专利，发表作品等方式，让学生收获更多成果，使学生主动学习的热情及积极向上的学习心态不断提升。

将3D打印技术运用于眼镜设计工作室教学，有较成熟的配套3D打印设备支持。目前艺术设计学院有工业级3D打印机及桌面级FDM机：3D金属粉末激光烧结设备（MYSINT100）、3D树脂光固化SLS600，桌面级Form2光固化打印机，FDM桌面级3D打印机（更新三次）近十台，另外还有配套的3D打印制品后期处理设备。

一、相关研究简述

3D打印（3D printing）是一种快速成型技术，其特点是首先建立物体三维模型，应用粉末状金属或聚乳酸等可黏合材料，每次打印一层材料，层层打印，最终打印出实际的3D模型。3D打印技术目前在高等院校的基础教学中已逐渐进行实践和推广该教学模式不仅打破了传统教育的线性结构，激发学生学习的兴趣和创造力，而且突出了^机交流的交互性，学生还可以自己设计、自己打印作品，以工作坊的形式体验从设计到产品转化的过程。

3D打印在国内外的教育领域得到重视和推广。新西兰的一项新课程标准实现了给基础教育的学生每4人配备1台3D打印机，以便于他们打印自己设计的象棋子。在美国，3D打印引入到教育领域还起到了推动STEM（Science，Technology，Engineering and Mathe-matics）的作用。如学生可通过CAD软件自行设计火箭的机翼，进行3D打印，并在室外进行测试。麻省理工学院的比特与原子中心让学生应用3D打印机探索原子与比特的转化。

在我国，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等著名高校都已开展3D打印研发，部分研究成果已处于世界先进水平，在航空航天、机械制造、产品研发、生物科学等方面取得了显著成效。

浙江工业大学除了3D打印机应用于学术研究外，也面向产业需求提供共享服务，即将企业设计的三维数据用3D打印机打印出立体实物，再交给企业，

二、研究主体

（一）3D打印技术运用于眼镜设计工作室教学的必要性

1.3D打印技术的介入，使学生创意能力及深入设计能力得到锻炼和提升。

以往的眼镜设计工作室教学，学生在電脑上完成创意设计后，在企业兼职教师和学校专任教师的共同指导下，画出生产CAD图，再评审出可以制作样板的眼镜设计方案，然后由企业兼职教师带领学生利用工作室现有的眼镜生产线设备做成眼镜样品。

眼镜工作室目前有两条生产线，金属架生产线和塑胶架生产线，这两条生产线尚未有工程师完全精通，更何况是刚入门的学生，所以学生的设计往往只能依赖企业兼职教师们制作眼镜样品，由于工作室学生多，设计方案多，课时有限，同时企业兼职教师们精力有限，导致学生的很多设计创意在制作眼镜样品阶段流失或停留在创意阶段，甚至制作出来的眼镜制品与设计创意相差太远等。

3D打印技术的引入，使学生有机会独立或协同完成从设计到建模再到生产眼镜的完整创造过程，通过3D打印的眼镜模型，反复推敲和修改眼镜设计方案，最终使深入设计能力得到了锻炼。

2.3D打印技术的介入，增强学生对设计的严谨性，培养工匠精神：

以往学生做设计，基本没有尺寸概念，因为在软件中建的模型可以无限放大与缩小，一毫米的模型与一米的模型都可以在屏幕上满屏显示，故模型的大小很难有直观感受，学生通过3D打印机，把设计方案直接打印出来后，往往会惊讶于打印制品跟设计创意的尺寸差距，而缩小打印后，又把握不了模型最小部件的尺寸，造成模型某个部分小于打印机能打印的尺寸，导致打印失败。3D打印的眼镜模型可以有效地检验尺寸数据合理性，而后进行方案修改。形成设计、打印、修改、再打印的过程，直到最后方案确定。在不断地出现问题解决问题的修改过程中，逐步提升了学生做设计的严谨性。

该设计是将中国“回纹”元素融入眼镜设计中的，图1是学生设计的眼镜效果图，因为对眼镜尺寸及实际使用人机工学缺乏实战经验，单纯从设计的形式美学法则出发而设计的眼镜，此方案被公司选中，为了完成生产图的准确绘制，对该款眼镜进行打印后，发现了尺寸和结构方面存在不少问题，经过反复修改，得到了图2相对准确的尺寸数据，通过图2的CAD生产图与图1的效果图对比，可以发现造型改变很大，内外镜圈连接点增加了，提高了眼镜内外圈连接的牢固度，另外内圈也加大了，扩大了眼镜的可视范围。

3.3D打印技术运用于眼镜设计教学中丰富了教学内容，革新了教学手段

引入3D打印这一新技术，并不是要取代原有的模型制作方式，而是将创新度高的，现有设备无法生产的方案，用3D打印的方式，打印出模型。丰富了教学内容，同时让学生学习到新知识和新技术，更锻炼了学生的创新力。

另外，通过3D打印技术，教师可以打印出各种教具，让学生可以真正“触”碰到，真实体验并理解课程内容。比如讲述结构方面的知识，结构连接是活动的装置，以往常常是教师用语言描述，或者是通过静态的图片展示给学生看，需要学生基于自身经验去理解，有了实物模型后，学生可以真正触碰到，感受到，从而将复杂抽象的教学内容变得具体而形象。

4.3D打印技术的介入，加强了校企合作的深度

3D打印技术可以将眼镜模型打印出来，企业可以根据实物模型来评审设计方案，比效果图更有说服力，也更利于沟通交流，修改完善设计方案，提升产品创新力，企业依据最终方案开模进行批量生产，节省了多次开模试制的巨额费用，减少了失败概率，降低了产品研发资金投入，节约了成本。缩短了研发周期。

（二）3D打印技术运用于眼镜设计教学实施：

1.3D打印技术运用于眼镜设计课程整体设计

根据《现代职业教育体系规划建设》文件，高职课程教学要将新材料、新技术及时带入课堂的精神要求。将3D打印技术带入眼镜设计工作室教学中，带领学生学会3D打印眼镜设计方法、3D打印眼镜设计手绘技巧，3D打印眼镜设计电脑表现技巧等技能，以企业真实项目、参赛、获专利、发表作品为导向，将整个教学内容分成两个阶段，带领学生循序渐进地学习：

第一阶段1-3周为基础阶段，这阶段主要学习眼镜的基础知识和3D打印的基础知识，主要任务有：1）临摹企业的优秀手绘眼镜草图，学会眼镜设计草图的标准画法，及各种材质的表达方式;2）建模现有眼镜模型，让学生通过建模深入观察体会并把握眼镜的细节，比如镜圈圈型，镜圈的弯度，镜腿与镜圈的角度，及镜腿的角度等等;3）临摹CAD眼镜工程图，基本掌握工程图的表达方式及画法;4）将建模的眼镜打印出来，通过打印眼镜来学习3D打印的基础知识，最终佩戴打印的眼镜模型以验证建模尺寸的准确性。

第二阶段4-7周为项目设计阶段，通过前三周紧张的学习及完成的各项任务，迅速进入设计状态，此阶段，以企业项目驱动，带领学生分析解构客户需求，按照需求设计眼镜，并分为两个方向，第一结合中国传统元素的设计，第二结合几何图形运用的设计，教师评审后建模、渲染，并将设计的眼镜图通过ps戴在模特脸上，以此提交给企业评审，通过后绘制CAD生产工艺图，而后根据CAD图尺寸，重建三维模型，再通过3D打印出模型，以此检验CAD尺寸工艺图的准确性，再修改。

2.课程教学重点与难点

重点：眼镜的材料与工艺、眼镜的结构、3D打印眼镜的设计与制作等。

难点：眼镜的手绘表现、眼镜电脑表现、3D打印眼镜的设计与制作等。

3.课程教学方法与教学手段

（1）采取教师在课堂上进行理论讲授和对学生设计方案的辅导点讲，学生积极参与讨论和实际操作的教学方法为主。课堂教学结合图书馆、互联网等自主学习的辅助手段，做到精讲多练，边讲边练，讲练结合。

（2）公司化模式运作项目工作坊教学。构建职业化的学习情境，以设计小组长负责设计小组的管理与运作，调动学生学习的积极性与主动性。

（3）与企业项目相结合，把公司的真实项目引入课堂教学。

（4）重视对学生职业道德的培养，加强学生的服务意识，环保意识，时间管理，培养学生的团队意识与协作精神。

4.3D打印技术运用于眼镜设计课程的具体实施

本次眼镜设计工作室教学课程是与深圳荣威眼镜光学有限公司合作的，要求眼镜设计方案時尚，提供了相关的参考图。通过沟通，清晰了解了客户需求，并展开了设计。

随着企业项目的介入，创意眼镜设计越来越多，学生会逐步体验到3D打印的各种问题限制，如打印机尺寸限制，壁厚限制，结构间的缝隙、切片设置，摆放方式形成的支撑效果等，将这些知识变成经验，用于眼镜设计创意中，展开设计。

草图绘制阶段

3D打印技术因为可以实现复杂曲面眼镜产品的打印成型，对造型能力的要求非常高，在3D打印技术下，学生曾经被认为的天马行空想法都显得捉襟见肘，高职学生的三维空间想象能力、表达能力较欠缺，在面对产品造型设计时，表现在草图上往往是二维的正面图像，转化成三维产品的能力欠缺，常常是通过挤压出一个厚度来让二维图变成三维产品，无法在脑海里构建一个立体的三维产品，更别说完善细节让设计更完美。3D打印的介入后，着力引导提升造型能力的培养，通过打印出来验证及不断修改，直至完善造型。

草图绘制是创意展现的第一步，3D打印技术对造型的高要求，促使教学内容革新，笔者在草图绘制阶段将立体构成的相关知识融入进教学中，培养学生的空间想象能力，让学生通过画立构元素或眼镜产品的六视图，及通过六视图绘制立构元素或眼镜产品的透视图等方式，加强空间想象能力的训练。

建模阶段

以往的建模，不需要考虑产品模型的尺寸和厚度，甚至不需要考虑产品曲面是否是密封实体，是否曲面有破面等，只需要建个外壳后渲染即可，学生通过以往的软件课学习及设计课程的锻炼，也已养成根深蒂固的建模思想，如果3D打印下的建模不严谨，会导致打印失败。

3D打印技术的融入，改变了学生以往随意建模的不严谨习惯，开始会关注每一个曲面的完整及密封，也意识到眼镜尺寸概念应该是从始至终贯穿整个建模阶段的。建模的同时学习3D打印基础知识，通过简单Rhino模型及3D打印基础切片软件学习，打印学生自认为最滿意的作品，当纸上的图通过实物呈现时，可以检测模型的大小尺寸及壁厚效果，以评估与期待值的差距。

3D打印眼镜

3D打印阶段将学习3D打印的相关理论基础知识，了解市场的3D打印技术及相关的成型原理，同时学习切片软件的基础运用，基本满足将简单的眼镜模型打印出来的需求。

CAD生产图绘制

企业的工程师就根据设计师画的CAD生产图来制作眼镜各部分零件，也以此图来检验零件是否合格，这决定着眼镜的最终效果。以往的CAD生产图绘制，常常是用剪下的纸片去验证尺寸的准确性，由于纸壳特有的属性，存在着一定的误差。

受3D打印材料影响，还不能打印能直接销售的眼镜，3D打印适合小批量生产，定制化服务，而眼镜设计公司需要大批量生产，势必要用到眼镜生产设备，这就需要绘制严谨的生产工程图，这个阶段的难点就是眼镜尺寸的把握，3D打印的介入，一改以往用纸板切割眼镜造型的方式，将眼镜打印出来，直接佩戴在脸上，以此为依据再深入设计方案的修改，大大提升了设计方案的优化度。

3D打印技术的介入，将眼镜模型打印出来再佩戴在脸上，可以很直观地感受眼镜设计的合理性，检验CAD生产图的准确性，也为检验眼镜零件生产是否合格新增了参考标准。

（5）打印成品用于批量生产中的交流与制作。

以往都是提供效果图给客户选方案，因为效果图表现的局限性，往往好的方案最后因为现有生产设备而流产，3D打印技术的介入，将效果图打印成成品，客户将模型拿在手上讨论生产方法，提升了设计方案的转化力。

总结

本次眼镜设计工作室教学课程与深圳荣威眼镜光学科技有限公司合作，以横向课题的方式建立项目合作，最终该公司选取了十一款时尚眼镜设计并做出样品，并批量生产。以参赛的形式促进学生创意设计，在2017年教育部职业院校艺术设计类专业教学指导委员会举办的全国职业院校艺术设计类作品“广交会”同步交易展作品大赛中获产品设计作品类二等奖;2018广州工艺美术大学生作品展暨第五届“工美菁英奖”获铜奖，2018中国（深圳）国际时尚眼镜设计师大赛中，有6件作品获奖，包揽学生组一半以上奖项，在颁奖典礼上与横岗时尚眼镜协会签订战略合作协议;以获专利形式促进学生创意的积极性，学生设计的时尚眼镜款，已申请外观专利13项。

另外，完成了创意眼镜设计作品集，准备印刷！到目前为止已在《艺海》《设计》期刊上发表眼镜设计作品7件，还有大量眼镜设计作品待发表。

本次课程的实施过程中，也存在着一定的不足，目前工作室FDM机不够精细，在打印眼镜时拆支撑时容易损坏打印制品，将从两方面解决，1.购买水溶性3D打印设备（现阶段已完成招标，进入购买流程）;2.与校企合作的另一家企业签订新赠机协议，提供更加精细度更高的FDM 3D打印机。