基于数字化建模的3D打印实践教学

徐 巍，李翠超，凌 芳

（上海交通大学学生创新中心，上海 200240）

0 引言

随着“大众创业、万众创新”以及“创客教育”的全面实施，加强实践教学，培养具有创新精神和实践能力的应用型人才具有重要的战略意义。创新设计和3D打印是“创客教育”的重要组成部分，是实现素质教育和创新人才培养的重要环节。

数字化建模一般可以通过直接创意正向设计或逆向数据采集反求建模来完成。采用正向设计建模的方法，技术人员根据客户要求或市场需求直接进行创意构思设计，并进行三维建模，产生数字化模型，并通过不断地修改来优化设计，以达到客户和市场的要求。而采用逆向建模的方法，技术人员在无纸化或图纸不全的情况下，直接对现有模型进行数据采集和处理，反求得到数字化信息，再将创新元素添加进去，提高了创新的效率，加快产品的研发周期，降低研发成本［1-2］。所以，正向三维建模和逆向反求建模这两者都是先进数字化技术的重要手段。

随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争愈加激烈，产品更新换代日益加快，传统的产品生产模式已经不能满足现代市场竞争的需要，3D打印技术就是在这样的背景下出现并迅速发展的。3D 打印技术是在计算机控制与管理下，根据数字化模型直接驱动，快速打印出实物模型，并可以使用这些原型件组装出产品模型。它彻底改变了传统制造业的加工方式，不需要专用的工具和刀具就可以在极短的时间内制作出复杂的产品模型，帮助企业迅速占领市场，充分突出了该技术的高柔性和快速性，被称为“第三次工业革命”［3-5］。

1 3D打印实践教学目标

随着计算机和3D 打印技术的迅速发展，各高校都逐步开展了CAD和3D打印的实践教学，我校学生创新中心相继购买了三坐标测量仪、激光扫描仪和3D打印机等专业设备。通过“数字化建模”和“3D打印”相结合的实践教学，针对不同专业、不同年级的学生，采用不同模块组合的教学方法，激发学生创新思维，学生可以掌握正向三维建模、逆向反求建模和3D 打印技术的理论知识，能够熟练使用三维建模软件、扫描设备和逆向工程软件进行产品的数字化建模，并能熟练操作3D打印设备进行模型的快速打印制作，让学生对先进数字化技术和先进制造技术有更全面的了解，提高学生的认知能力、沟通能力、设计能力、工程实践能力和创新能力［6］。

2 3D打印实践教学实施

3D打印技术实践教学的对象是学校的本科生，覆盖了机类、近机类、非机类的学生。为了达到实践教学目标，采用了“做中学，学中做”的教学模式，坚持理论实践并重的教学原则，理论知识点贯穿于实践教学的整个环节，跟踪技术发展前沿，坚持“对象化学习”和“个性化教学服务”的原则，针对不同专业学科的要求，分别采用正向设计＋3D打印、逆向反求＋3D打印的课程体系，讲解三维建模软件的使用、扫描技术的原理、扫描设备的使用方法、逆向工程软件的使用、3D打印技术的基本原理和典型工艺以及设备操作。通过理论和实践教学环节的学习，使学生能够运用三维设计软件进行创意构思设计，能够操作彩色扫描仪进行实物数据采集，使用Geomagic Studio 逆向软件对采集的数据进行修复和重建，操作3D 打印机进行数字化模型的快速打印［7-8］。

2.1 三维建模实践教学模块

在整个教学过程中教师采用多媒体课件讲解三维设计软件（PRO／E、UG、CATIA、SOLIDWORKS）的使用技巧、产品设计的要求以及创新思维的方法，让学生能够熟练运用设计软件将自己的创意用数字化模型表达出来。学生可以以个人或团队形式来完成创意设计和模型的虚拟装配。在整个教学过程中，不是以老师为中心，而是要发挥学生的独立思考和创造性，学生带着任务和问题来进行实践学习，各个专业的学生发挥各自的特点参与创意，同学之间相互讨论、取长补短，实践过程更有目的性和趣味性，避免传统设计类实践教学的任务单一、枯燥的弊端。图1 所示为学生创意设计作品。

图1 学生创意设计

2.2 逆向建模实践教学模块

逆向建模主要包括数据采集、数据处理和模型的数字化重建。教师采用多媒体课件、现场演示和实际操作等教学手段，以smartscan—2.0M 彩色扫描仪和EinScan-Pro手持扫描仪为操作对象（见图2），讲解扫描技术的基本原理和操作技巧以及Geomagic Studio软件的使用技巧。图3 所示为模型的数据采集与处理。学生以分组协作形式对现有模型进行数据采集和处理，先给原始模型贴标记点进行空间定位，再使用smartscan扫描仪准确捕捉模型的点云数据，再利用软件对数字化模型进行去噪点、表面光顺、优化数据、清楚网格、添加创意，完成数字化模型的修补、优化和创新设计。学生针对各自专业，挑选合适的模型，并在现有模型基础上加入各自的创意，提高了创意设计的效率和合理性［10-12］。

图2 两种扫描仪外形图

图3 数据采集与处理

2.3 3D打印实践教学模块

图4 3D打印设备

图5 FDM原理

3D打印实践教学主要是以珠海天威的X3045 和闪铸的GUIDER 两款设备（见图4）为操作对象，通过现场演示和实际操作等教学手段来讲解FDM 技术的原理（见图5）、特点，两种设备的结构，配套软件Print-Rite和FlashPrint的使用技巧。学生应能熟练操作3D打印设备对三维建模或逆向建模得到的数字化模型进行“导入模型文件—处理模型数据—打印参数设置—3D打印—后处理”的整个过程，让学生亲身体验从设计到快速制造的完整过程。将创新设计与3D 打印结合起来，可以大大缩短产品的研发周期，降低产品的研发成本，并能实现按需订制，满足个性化产品制造的需求［9］。图6 所示为学生3D打印作品。

图6 学生3D打印作品

3 教学效果

近年来，不光中心将3D打印纳入实践教学环节，学校各院系开设的工程学导论、设计与制造Ⅱ、工程实践等通识核心课都将3D 打印作为教学的一个内容。基于数字化建模的3D打印实践教学不仅适用于中心的实践课程，还协助院系老师完成核心课程教学。不同专业、不同年级的学生可以通过不同的模块组合来完成实践教学，让学生接触到了三维建模、逆向建模等先进数字化技术和3D 打印的先进制造技术，学生在实践学习的过程中对产品的设计与制造过程有了更全面的认识，掌握了从“创意构思—数字化设计—3D 打印—优化—产品成形”的完整过程，从而拓宽了视野，有助于激发学生的创新意识，提高实践学习的热情和兴趣，对学生今后的科创实践活动打下扎实的基础［13］。

4 结语

实践教学是培养学生创新意识和实践能力的重要平台，通过开展基于数字化建模的3D 打印的实践教学，将单一的实践教学项目和分散的实习模块串联起来，将虚拟的数字化建模应用于实际的3D 打印，体现出该实践教学项目的连贯性和高度交叉性，避免传统的单一实验模式对教学资源的浪费［14］，学生在项目实习过程中更有目的性，加强了学习的主动性，充分体现了学生在实习过程中的主体地位和教师的启发式引导作用。基于数字化建模的3D 打印的实践教学研究，符合学生创新中心的培养创新型人才的教学改革思路，促进实践教学改革的深入发展，实现素质教育和创新人才的培养目标，加强学生的创新意识、工程综合素质与工程实践能力，更符合企业对工程创新人才的要求［15-16］。