基于三维设计软件的快速成型技术实验课程的教学探讨

王 琛， 陆雪亿， 李晶晶

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

快速成型技术又称3D打印快速成型技术[1]，在国内各行各业中的应用越来越多，也因此逐渐走入了高校的实验课堂[2]。国内大部分高校的工业设计专业均开设了与快速成型技术相关的实验实践类课程[3]。有独立设置的实验课程，也有包含在具体课程中的实验课程。课时安排以16课时为主[4]，教学内容包含了快速成型技术相关理论的讲授、快速成型设备的实际操作、三维模型的设计与制作[5]。与传统的工科类实验教学不同，快速成型技术的实验教学，需要突破传统工科类实验教学的枯燥和乏味，与三维设计软件的应用实操相互结合，选用“趣味”和“个性化”的教学案例，激发学生的学习动力和积极性，同时充分发挥了快速成型技术个性定制的特点。

1 教学目标

通过快速成型技术实验课程的教学，使学生从理论和实操两个方面认识快速成型技术，理论方面包括熟悉各种快速成型技术的工艺特点和使用范围[6]，实操方面包括掌握主要快速成型设备的操作方法，自行设计三维模型并操作设备制作模型，体验数字化设计与制造的全过程[7]。通过理论学习和技能训练，在锻炼学生设计素养的同时培养学生的工程素养，实现设计和技术相结合的教学模式，提高学生的专业技能和设计能力[8]。

2 教学内容设计

充分发挥快速成型技术个性化定制的特点，从“有趣”的角度出发设计教学内容。教学内容一方面符合工业设计实验实践课程的大纲要求，培养学生的专业技能和实践能力；另一方面强调“趣味性”和“个性化”[9]。“趣味性”就是通过趣味的教学案例，调动学生学习和实验的主动性[10]。“个性化”就是充分发挥快速成型个性化定制的特点，学生设计和制作属于自己的模型[11]。

3 教学实例

根据教学目标和教学内容设计，选用月球灯的设计与制作及定制U盘的设计与制作两个实验项目为教学实例。

3.1 月球灯的设计与制作

月球灯是快速成型技术制作的“网红”产品，在各大电商平台上有不俗的销量[12]。月球灯的外壳为表面有凹凸状浮雕特征的缩小版月球模型，其内安装有可变颜色的LED发光模块和电源模块[13]。通过快速成型技术制作的月球灯外壳，在内部灯光的照射下，将月球表面“山脉”“月影”和“陨石坑”的效果展现的生动逼真，备受年轻人的喜爱[14]。

选择月球灯为教学和实践制作的案例体现了“趣味性”，一方面迎合了学生的喜爱，通过自己的实验操作设计并制作出“网红”产品，激发学生内心的主观能动性，培养实验过程的成就感，从而加深了对实验操作的记忆和对快速成型技术的理解。另一方面，月球灯设计制作过程，是从三维设计到产品制作成型的全过程，也是三维数字化设计和制作的全过程，培养了学生的3D思维和三维技能，提高了学生的工程实践能力。

月球灯的设计和制作过程相对复杂，设计月球外壳为上下两部分模型，上部分模型为大半个月球壳体，下部分模型为小半个月球壳体。下部分模型中心位置需要留置电源孔，用于放置电源模块，电源模块包含LED灯、电池和充电座。月球灯壳体表面的浮雕效果通过三维设计软件或浮雕生成器生成[15]。使用熔融沉积工艺分别制作上下两部分模型，制作好上下两部分模型后，将电源模块安装于下部分电源孔处，使用热熔胶进行固定连接。上下两部分模型通过502胶水粘接。

月球灯三维模型可以选用多种三维软件进行设计。本文以ZBrush软件为例，通过ZBrush软件绘制月球灯模型，选择工具里面的Sphere3D命令，在操作区域建立一个球体，并选择编辑命令进行编辑。点击工具选项里的Make Plymesh3D命令，将参数化球体转化为mesh(网格)球体，以便进行编辑。点击工具>几何>DynaMesh，进行动态调整mesh(网格)球体的密度、形状等。点击Alpha>import>准备好的月面贴图，然后选择水平转命令，对图像方向进行调整。在UV map里生成UVs(UVs是球的映射，也有其他柱映射、面映射等，与贴图的分布配合)，在Mask里mark by Alpha，把长方图像映射贴到球面上，如图1所示。点击Tool>Geometry>Subdivide mesh，细分到第3级。调整Inflate(Tool>Geometry>Deformation>Inflate)，根据图像的灰度，把光滑球面变形，可选正负，即越暗的地方越凸，根据感觉适当选择变形程度。至此，月球灯浮雕三维模型设计完成。

3.2 定制U盘的设计与制作

快速成型定制U盘，可实现U盘的个性化定制。个人或公司可将宣传或展示的信息定制在U盘上，而个性定制化的特征正适合于用快速成型技术来实现。因此，无论在线上平台还是线下服务，快速成型定制U盘都有较为广泛的应用[16]。

选择定制U盘为教学和实践制作的案例，更加突出快速成型技术个性化定制的特点[17]。一方面，学生定制的U盘可以作为自我使用或馈赠的物品，具有较高的实用性[18]。设计与制作过程也可以给学生带来乐趣，锻炼了三维技能[19-22]。另一方面，通过定制U盘的设计和制作，可以激发学生的创意，发散学生的思维，让学生设计出更多用快速成型技术制作的个性化定制产品[23]。

快速成型定制U盘首先需要设计U盘的三维模型，选用UG、SolidWorks或Raino软件进行设计，定制U盘的内容可以是文本，也可以是数字或图案。以UG软件为例，在UG软件中新建拉伸长方体，选择插入>曲线>文本命令，以拉伸长方体的上表面为参考平面，输入定制文本，设定文本的字体和大小。退出文本命令后，对定制文本进行拉伸或切割操作，定制U盘的文本设计便可完成，如图2所示。结构设计时，需要预留放置U盘芯片的槽，U盘芯片通常采用带有不锈钢外壳的黑胶体芯片，通过502胶固定在U盘芯片槽中。U盘壳体需要根据模型的复杂程度，选用不同的快速成型工艺。复杂的模型选用立体光固化工艺完成制作，简单的模型选用成本较低的熔融沉积工艺完成制作。

图1 映射月球图像

图2 设计定制文本

4 小结

随着快速成型技术的不断发展，其在高校课堂中的应用越来越多。本文通过改变传统工科类实验教学的思维，提出适合快速成型技术实验教学的方法和案例，使学生更好地学习并掌握快速成型技术，培养学生的创新思维和设计能力，提高学生的工程实践能力，推动应用型人才的塑造。