3D打印教学方法探讨

刘德友

【摘 要】3d打印技术是一种什么样的技术，简单来说它是一种逐层打印的技术。本文从三个方面来阐述3d打印如何实现教学，实验过程，软件应用等相关内容，相信学好这门技术对于学生来说，不管是在今后的学习中还是将来的工作中都会起到举足轻重的作用的。

【关键词】正向教学设计;逆向工程;测量;检测

3d打印技术是什么？简单来说3d打印技术是一种能将电脑中的3维数据模型打印成实体的一种技术，按3维数据进行逐层打印，就像盖房子一样，砖块是一层一层的，但累积起来后，就成一个立体的房子了。

如今人们用3d打印的方法来制造模型模具、汽车、医疗器械，牙齿骨骼等。3d打印的优点就是它可以极大地缩短产品的生产周期，从而提高生产率和降低生产成本，因为它不需要任何的模型，3d打印能够打印出一些特殊的形状而不需要任何的模具。

关于3d打印如何实现教学？我们用3d打印机将设计好的3d电子模型打印成实体。将一个3d模型打印成型的时间还是很长的，需要若干小时。所以打印实体的时间我们应该尽量放在课下时间去完成，由于学习3d打印的课时也是十分有限的，如何在短暂的学习时间里学好3d打印这门课程就变成了一个需要探讨的问题。

我认为3d打印主要从以下3个方面进行教学设计。

一、正向教学设计

要想做出一个3d打印的实体，设计软件是必不可少的，也是必须要学习的内容之一。通过3维设计软件我们可以将头脑中的构思转化成电脑中的3维数据信息，再通过正向设计软件将电脑中的3维数据信息进行一个加工和处理，成型后我们就可以将数导出到3d打印机中进行打印了。由于打印过程是比较长的过程，所以上课就不作为重点来讲述，我们利用上课的宝贵时间来进行3维正向软件设计的教学。例如我们可以学习3ds设计软件freeform，了解其功能和使用方法。FreeForm是能够在电脑上对数据模型进行设计和构建的一种软件，设计人员可以按自己的想法设计三维造型，同时结合电脑CAD的功能就能做出自己想要的模型。FreeForm的功能是十分强大的。它是正向教学设计里一个必不可少的学习内容。

二、逆向教学设计

逆向教学设计是我们重点要讨论的一项内容。

什么是逆向工程技术？

从总体概念上讲，产品设计过程是这样一个过程：设计者首先构思产品的形状和一般技术参数，然后利用CAD技术建立产品的数字模型，例如用FreeForm设计完成之后再将模型传递给制造商。这样的产品设计过程我们可以称为正向设计。而逆向工程是指在没有设计图或不完整的设计图的情况下，基于对现有产品模型的测量和数据处理，重新设计产品的三维CAD模型的过程。例如，我们只有一个产品样品还没有其cad数据，我们要对这个样品进行批量生产，那么我们就可以通过逆向工程技术来实现。逆向工程需要通过数字化测量设备如光学测量设备等获取的物体表面的空间数据。例如我们会用到高精度三维扫描仪。高精度三维扫描仪可以生成高密度的点云数据，使工件表面的细微部分得到清晰的表达，测量的精度十分高。三维扫描仪可以轻松地获取曲面信息，可以在极少的时间内获得高精度的三维数据，效率很高。

逆向工程分为两个阶段：第一步，对物体或组件进行快速而精准的三维扫描。第二步，通过逆向工程软件将得到的数字化图像转化为适用于不同项目的三维表面模型（CAD 数据集）。这里面就又涉及到了一个我们需要学习的软件：逆向工程软件。逆向工程软件有很多，这里我们主要学习是软件是wrap和design X两个软件。学习软件的功能和主要作用。通过对软件的学习，学生能够更加熟悉和了解逆向工程的原理，为接下来的学习打下了一定的基础。

我们通过三维扫描对样件进行扫描，整个扫描过程十分迅速且无接触，因此，它甚至适用于任何大小的易碎或易变形物体。不论物体的复杂性、边缘及切割如何变化，系统都能以高精确度与高分辨率呈现物体的所有细节。此外，以扫描数据为基础的CAD数据集可直接与原始扫描数据相比较。这种方式保证了在逆向工程过程中，没有任何细节被遗漏或忽略。

高职院校逆向工程的教学可以培养学生的独立工作能力和创新思维的发展。逆向工程实验采用开放式教学模式，根据教学要求、专业特点等因素，学生选择合适的实验项目，确定合适的实验时间预定实验。将实验项目分为三个阶段：一阶段，二阶段，三阶段。

一阶段的实验项目可以通过将公差协调与技术测量或机械精度设计与试验基础、机械工程测试技术相结合来制定。二阶段，三阶段是在一阶段的基础上进行一个拔高的过程，要针对不同学生的情况来进行项目实验的开展。

在实验中，教师应注重学生实践能力的培养，提高学生的综合素质。根据学生的个体需要和学生能力形成的不同阶段，进行实验教学，以鼓励学生善于思考，培养学生综合运用理论知识指导实践和科研的能力。

三、通过3d扫描进行实体测量及检测

学生通过3d扫描进行实体測量可以加深对理论课程的相关内容的理解，如机械精度设计和测试基础中的公差和协调，并且掌握特定工件形状和位置的测量方法和评价方法。

首先，利用三维扫描仪对现有的物理模型进行精确、高速的扫描，获取三维轮廓数据，其次，利用反求软件进行曲面重构，并在线分析重建曲面的精度。对施工效果进行评价，生成IGES或STL数据。STL数据表面故障处理后，实体直接快速成型机器生产。利用三维扫描仪或者拍照式测量系统得到的数据配合质量检测软件，可快速的对机械零件进行质量检测。

在这里面我们需要用到的质量检测软件有gom软件。这是一款非常优秀的质量检测软件，通过它我们可以实现产品的质量检测，产品的测量，并且效率十分的高。不仅能测量任何的常规尺寸，还可以测量任意位置的公差值，偏离值通过七种色彩表现出来，非常直观。

在实验中，学生可以设计自己的扫描方案，研究复杂曲面的路径优化问题，并在CAD软件中利用自己的想象力从表面模型到实体模型进行创新设计。对实体数据的3d测量能够培养学生分析和解决实际问题的能力，培养他们的自主思维和积极的创新精神。

通过3d扫描进行实体测量及检测过程是一个多学科的协同过程。通过实验，学生可以拓宽知识，了解其应用领域，如飞机、汽车、玩具和家用电器等相关领域的模具，以及医学领域如人工生物骨等。提高几何测量、数学、计算机视觉、图形处理、数字制造等多学科应用能力，为今后的技术工作打下坚实的基础。

总结，以上就是我对3D打印教学以及与其教学相关的三个方面的一些思考。3d打印技术是一个很有发展前景的技术，相信学好这门技术对于学生来说，不管是在今后的学习中还是将来的工作中都会起到举足轻重的作用的。作为技工院校，我们应该紧跟时代发展的步伐，努力提高学生的实践能力。为学生提供更广阔的思维空间。

【参考文献】

[1]戴侃.3D设计软件导学教程的设计研究[D].华中科技大学，2011.

[2]向国玲.浅谈逆向工程技术[J].《模具工程》，2011.