姚念近

【摘 要】產(chǎn)品造型與3D打印是一種新興的快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐點，逐面進(jìn)行材料的“三維堆砌"成型。本文概括介紹了該項技術(shù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀和以后的發(fā)展前景，并就模具專業(yè)引入產(chǎn)品造型與3D打印技術(shù)課程，在教學(xué)組織及課堂教學(xué)實踐等方面進(jìn)行了一定的探究。

【關(guān)鍵詞】產(chǎn)品造型設(shè)計；3D打?。唤虒W(xué)實施

1、產(chǎn)品造型與3D打印技術(shù)的應(yīng)用

產(chǎn)品造型與3D打印主要應(yīng)用于快速原型制造技術(shù)，而快速原型制造技術(shù)簡稱RP，它是一種借助于計算機(jī)輔助設(shè)計，或用實體反求方法采集得到有關(guān)原型或零件的幾何形狀，結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，并以此建立數(shù)字化模型，然后將模型輸出到計算機(jī)控制的集成制造系統(tǒng)，通過逐點，逐面進(jìn)行材料的“三維堆砌"成型，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀，強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計要求，從而達(dá)到快速，準(zhǔn)確地制造原型，實際零件或產(chǎn)品的現(xiàn)代制造方法。

隨著計算機(jī)數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)輔助產(chǎn)品造型設(shè)計在快速原型制造中的作用越來越重要，三維數(shù)字建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計、逆向工程等環(huán)節(jié)都離不開計算機(jī)輔助設(shè)計，3D打?。?Dprinting）作為快速制造技術(shù)的一種，它以軟件數(shù)字建模為基礎(chǔ)，運用塑料、金屬、陶瓷、橡膠、玻璃、色砂等多種可粘合材料，通過逐層增加材料“打印”出三維實物產(chǎn)品。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，設(shè)計師通常利用計算機(jī)完成產(chǎn)品的數(shù)字化造型設(shè)計，然后通過3D打印輸出產(chǎn)品原型。

產(chǎn)品造型與3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，造型通常應(yīng)用3D軟件完成，主流的造型軟件有Pro Engineer、UG、Mastercam、CATIA、CIMATRON、3DMAX等，設(shè)計師應(yīng)用造型軟件進(jìn)創(chuàng)建數(shù)字化模型，然后輸出轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)能夠接受的文件格式，后面的工作就由3D打印機(jī)完成了。

根據(jù)3D打印技術(shù)應(yīng)用特點不同，可將3D打印設(shè)備分為SLA和FDM兩種。其中SLA主要用于制作模型，在國外大學(xué)教學(xué)領(lǐng)域上用的比較廣泛。SLA成熟度高，由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周 期短，無需切削工具與模具，降低錯誤修復(fù)的成本，可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具，可聯(lián)機(jī)操作和遠(yuǎn)程控制。FDM主要采用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）作為原材料，目前市場上采用 FDM技術(shù)較為普遍。其優(yōu)勢在于操作環(huán)境干凈、安全可以辦公室環(huán)境下進(jìn)行，表面質(zhì)量較好，易于裝配，可以快遞。原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換，材料費用低。另外，可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用的ABS、PC、PPSE等， 材料利用率高。

3D打印的優(yōu)勢在于數(shù)字化驅(qū)動，無需編程 、可打印任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)、 自動運轉(zhuǎn)無需人工干預(yù)、無需模具直接成型、設(shè)計制造一體化。三維造型與打印技術(shù)可以用于產(chǎn)品設(shè)計評估與校審；用于產(chǎn)品工程功能試驗；用于快速模具制造；用于快速直接制造；用作廠商與客戶的交流手段；應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、建筑等行業(yè)。產(chǎn)品造型與3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，提高了研發(fā)效率、改善了產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計。目前，這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航天航空、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程和等諸多領(lǐng)域。

2、產(chǎn)品造型與3D打印課堂教學(xué)實踐

我院在模具設(shè)計與制造專業(yè)（快速原形設(shè)計方向）引入了產(chǎn)品造型設(shè)計與快速制造課程，試圖通過此課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握從軟件造型到3D打印原型的基本原理及工作流程。

通過課程的開發(fā)與課堂教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)3D打印的基礎(chǔ)是產(chǎn)品造型的數(shù)字建模，如果不能熟練掌握的三維數(shù)字軟件的建模技巧，就很難實現(xiàn)產(chǎn)品造型的設(shè)計構(gòu)想。因此，加強(qiáng)三維數(shù)字軟件應(yīng)用教學(xué)就顯得尤為重要。為此，我們在產(chǎn)品造型與3D打印課程中，針對三維軟件的各項功能制定了詳細(xì)的教學(xué)計劃，認(rèn)真設(shè)計了若干單項及綜合訓(xùn)練任務(wù)，通過項目化教學(xué)，使學(xué)生在任務(wù)中學(xué)習(xí)，在情景中學(xué)習(xí)，在不斷地解決實際問題中學(xué)習(xí)，邊學(xué)邊練，邊練邊學(xué)，切實提高三維造型應(yīng)用水平。

快速原形設(shè)計分為外觀設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，這與建筑設(shè)計很類似，也分為建筑外觀設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。產(chǎn)品造型設(shè)計偏重于外觀設(shè)計，然而造型與結(jié)構(gòu)是密不可分的，在進(jìn)行快速原型設(shè)計的時候，同時要考慮到結(jié)構(gòu)問題，考慮大批量生產(chǎn)中工藝性問題，考慮裝配問題，考慮散熱問題等等，這樣才能設(shè)計出優(yōu)秀的產(chǎn)品。在課程教學(xué)實施過程中，由于引入了3D打印成型設(shè)備，學(xué)生能直觀地看到自己的設(shè)計成果，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，課堂氣氛活躍，學(xué)生參與率高。

從就業(yè)角度看，掌握三維造型與3D打印技能的學(xué)生可以到各產(chǎn)品制造企業(yè)、3D打印服務(wù)公司、設(shè)計公司、3D打印網(wǎng)店和其他3D領(lǐng)域企業(yè)擔(dān)任設(shè)計人員、技術(shù)操作員、咨詢服務(wù)人員和管理人員，也可以自主創(chuàng)業(yè)開設(shè)網(wǎng)店或?qū)嶓w店提供3D產(chǎn)品設(shè)計和打印服務(wù)，利用電子商務(wù)平臺拓展業(yè)務(wù)空間 。

3、產(chǎn)品造型與3D打印的發(fā)展與存在的問題

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品造型與3D打印技術(shù)正在迅速的申入各個領(lǐng)域，受到了社會的廣泛關(guān)注和一致好評，但在此過程也存在著一些亟待解決的問題。首先，3D設(shè)計人員短缺的問題，3D產(chǎn)品造型軟件門檻較高，一般非專業(yè)人員很難上手，即使是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)人員，也需要經(jīng)過專門的軟件培訓(xùn)以及大量的應(yīng)用設(shè)計實踐才能較好地掌握，所以3D造型設(shè)計人員相對比較缺乏。此外，3D打印作為新生事物，其本身發(fā)展也存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：

（1）耗材成本高，種類少。3d打印必須使用特定的耗材，但這些耗材都價格不菲，很多材料本身的價格就很昂貴，再加工成打印耗材自然沒法降下來。打印耗材的種類也是屈指可數(shù)，雖然媒體極力渲染3d打印技術(shù)，可以打印很多種材料，但實際上對于整個制造業(yè)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

（2）金屬激光燒結(jié)技術(shù)本來的研發(fā)成本高昂，再加之打印機(jī)制造成本也很大，所以推廣難度很大，特別是在面對傳統(tǒng)技術(shù)依靠非常成熟的經(jīng)驗和低廉的成本占據(jù)市場的局面下。

（3）打印對象體積受到打印機(jī)大小限制。對于大型的機(jī)械部件，3d打印還是只能通過打印一部分部件然后拼接組成成品。擴(kuò)大打印機(jī)規(guī)模常常是不合算的，而且這也會影響到打印精度。

（4）打印精度和強(qiáng)度在很多產(chǎn)品面前并不適用。一些需要精度較高，表面光潔程度高的零件是無法通過3d打印完成的，畢竟這種堆積技術(shù)是通過微小顆粒堆積起來的，精確度仍然只在零點幾微米級，特別是在曲面上面，像素不高，所以打印完成之后還是得再進(jìn)行后期打磨處理。另外，其打印產(chǎn)品強(qiáng)度也值得質(zhì)疑，很多需要強(qiáng)度保證的材料是借助材質(zhì)內(nèi)的微觀分子結(jié)構(gòu)甚至原子結(jié)構(gòu)維持的，而3d打印的堆積技術(shù)，顆粒之間是通過粘接技術(shù)煉結(jié)的。

盡管3D打印技術(shù)還存在著一些亟待解決的問題，然而，以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命正在向我們走來，數(shù)字化造型設(shè)計以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用將像蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和計算機(jī)一樣，開創(chuàng)一個嶄新的工業(yè)時代。

我國正處于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，快速制造技術(shù)的發(fā)展，對我國既是重大機(jī)遇，又帶來了挑戰(zhàn)。加快推進(jìn)快速制造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，對于提升我國制造業(yè)的整體創(chuàng)新能力，取得在數(shù)字化制造、智能制造方面發(fā)展的主動權(quán)，搶占先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展制高點，加快工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有重要意義。

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