快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

文宏

[摘 要] 快速原型技術(shù)是20 世紀(jì) 80 年代末期開始的一種集機械、電子、光學(xué)、材料等學(xué)科為一體的先進制造技術(shù)之一。快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用日趨廣泛。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的動手能力，在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中開設(shè)快速原型實訓(xùn)課程，并根據(jù)學(xué)生專業(yè)和層次的不同安排了不同的課程內(nèi)容，有效開拓了學(xué)生的視野，取得了良好的教學(xué)效果。概述快速原型技術(shù)，說明快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中應(yīng)用的重要性，闡述快速原型技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)的具體應(yīng)用策略。

[關(guān) 鍵 詞] 快速原型技術(shù)；工業(yè)設(shè)計；實踐教學(xué)；應(yīng)用

[中圖分類號] G712 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）02-0026-02

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，市場競爭意識不斷提高，不斷開發(fā)物美價廉的工業(yè)產(chǎn)品已成為企業(yè)生存和發(fā)展的基本手段。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程缺乏與市場的交互性和各環(huán)節(jié)的并行性，難以適應(yīng)市場快速變化的需要。目前發(fā)展迅速的快速原型制造技術(shù)是1979年東京大學(xué)的中川威雄教授利用分層技術(shù)制造了金屬沖裁模、成型模和注塑模。20世紀(jì)70年代末，日本的小玉秀男首次提出了利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實體的新思想。在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中應(yīng)用快速原型技術(shù)，不但拓寬了工業(yè)設(shè)計實踐的范圍，而且能有效提升大學(xué)生的實踐能力。

一、快速原型技術(shù)概述

快速原型技術(shù)是20世紀(jì)90年代在計算機輔助制造技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的，其類似于數(shù)學(xué)上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)不僅對促進企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、減少新產(chǎn)品開發(fā)成本，而且還能提高產(chǎn)品競爭力。快速原型技術(shù)可快速成型任意復(fù)雜的三維幾何實體，不受傳統(tǒng)加工方法中道具無法到達某些形面的限制，它不僅在制造業(yè)的產(chǎn)品造型和模具設(shè)計中應(yīng)用的范圍越來越廣泛，同時也逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面。

目前，信息采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控軟件等高度集成化，盡管軟件系統(tǒng)中存在許多缺陷和不足，但其本身已經(jīng)逐漸向大型制造和微型制造進軍。隨著人們對各類物件的需求愈來愈高，新產(chǎn)品的研發(fā)也隨之不斷更新加快?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（RPM）可以較快制造出任意形狀的三維化模型實物，信息制造過程中以全息生長元為基礎(chǔ)的智能材料自主生長方式是RPM的新里程碑，快速原型技術(shù)會被越來越多的企業(yè)所采用。按原型的制造原理，將原本的三維模型變成了分層層片，使樹脂材料在計算機控制下的紫外激光使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)形成一個固體薄層截面，進而進行新一層掃描、固化，如此重復(fù)直至整個原型制造完畢?？焖僭椭圃旒夹g(shù)對工業(yè)制品而言，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔生產(chǎn)的特點。

二、快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中應(yīng)用的重要性

（一）讓工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)富有特色

工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)快速成型不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是利用所要制造零件的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接生成產(chǎn)品原型。且CAD模型后不像傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，有效縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，控制了開發(fā)成本。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、汽車、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍工設(shè)備、工業(yè)雕刻等領(lǐng)域。快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用使設(shè)計教學(xué)更加鮮明，促進了大學(xué)生實踐動手能力和實踐創(chuàng)新能力的提高，提高了大學(xué)生的實踐能力和科研能力。

（二）有效提升實踐教學(xué)質(zhì)量

使用快速原型技術(shù)，雖然教師在上課之前需要花費大量的時間和精力去做教學(xué)所需的文件，但借助該技術(shù)能使工業(yè)設(shè)計要講的內(nèi)容簡單化、清晰化。因工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)的創(chuàng)作受到多方面因素的影響，諸如工業(yè)環(huán)境、材料因素，快速原型技術(shù)的應(yīng)用使教師在課前精心準(zhǔn)備的課件能大量節(jié)約課上有限的時間，從而提高課堂效率。

（三）有助于培養(yǎng)學(xué)生的從業(yè)素養(yǎng)

工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)往往需要在現(xiàn)場實時進行，讓學(xué)生置身于模擬環(huán)境中，使學(xué)生體驗到真實的設(shè)計過程。在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)過程中，學(xué)生主動地、自覺地在參與，使學(xué)生主體作用突出。實踐教學(xué)不但凸顯了對學(xué)生工業(yè)倫理、道德水平等方面的培養(yǎng)，而且對整個世界的工程技術(shù)教育產(chǎn)生了深遠影響。

三、快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用

（一）明確應(yīng)用范圍

利用快速原型技術(shù)可節(jié)省大量人力、物力、財力，尤其在新品開發(fā)、小批量生產(chǎn)、試生產(chǎn)等場合，可利把握市場反應(yīng)，對確保新產(chǎn)品開發(fā)的成功率具有重要價值?？焖僭椭圃旒夹g(shù)給人以美的享受和精神的陶冶。為珍稀工業(yè)品的復(fù)制、工業(yè)品形式的多樣化提供了有力工具。工業(yè)設(shè)計教學(xué)中，絕大多數(shù)時間力求三維表達的準(zhǔn)確而作逐步修正以及工業(yè)產(chǎn)品制作過程中因各種失誤造成殘缺而從頭反復(fù)。當(dāng)采用快速原型制造技術(shù)時，教師直接通過快速原型制造系統(tǒng)快速制作三維物化作品，判斷構(gòu)思的合理性和作品表達自己思想的準(zhǔn)確性?？蓪⒃髌匪贸尚筒牧显偕笥钟糜谛碌男薷淖髌分谱?，最后通過快速的添加法直接成型、三維雕刻、噴涂、制模等途徑完成，可大幅減少設(shè)計費用。

（二）創(chuàng)設(shè)設(shè)計形式

工業(yè)實踐教學(xué)中利用快速原型制造技術(shù)，可以賦予工業(yè)設(shè)計的多樣化教學(xué)形式。如以繪畫形式構(gòu)建初產(chǎn)品三維形態(tài)，進而用快速原型制造系統(tǒng)制作出低成本、直接成型的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上形成原型的幾何造型與物理性態(tài)的構(gòu)建、分析為一體的CAD綜合構(gòu)型模塊。在三維CAD模型構(gòu)建的思路上對已有產(chǎn)品的構(gòu)型、材料等信息進行采掘，從而有效拓寬學(xué)生的視野。首先是構(gòu)建快速成型實驗室，快速成型是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”中學(xué)生必須掌握的基本技能之一?？焖俪尚捅旧磉m用于大學(xué)生的創(chuàng)新實踐活動，可以通過創(chuàng)新性的構(gòu)思，把構(gòu)思和設(shè)計變成現(xiàn)實作品。在實踐教學(xué)中，同一批零件尺寸會影響整體裝配。因此快速成型使用的材料成本與傳統(tǒng)加工工藝所使用的材料相比普遍較高，應(yīng)用于日常實踐教學(xué)中給學(xué)校帶來了較重的負擔(dān)。由于課堂的實踐教學(xué)時間有限，快速成型的單個零件實際操作較短，在日常實踐教學(xué)中容易激發(fā)學(xué)生的積極性。其次是發(fā)揮學(xué)生自主能動性?？焖僭图夹g(shù)的應(yīng)用可以將一部分教學(xué)內(nèi)容當(dāng)成專題讓學(xué)生去制作，之后再講解自己所組織的內(nèi)容。這時候?qū)W生就可以充分發(fā)揮自己的能動性，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)查閱自己所需要的資料，通過文字、圖表、音頻、視頻等的組合形式呈現(xiàn)出完美的設(shè)計效果。

（三）構(gòu)建應(yīng)用體系

首先必須建立具有鮮明的有學(xué)科與專業(yè)特色的工業(yè)設(shè)計實踐環(huán)境，只有讓學(xué)生“親臨其境”，才能全面提高學(xué)生的工程意識。

工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)基本涵蓋了我們一切工作的出發(fā)點和落腳點，目前隨著先進制造技術(shù)及工藝個性化的人才培養(yǎng)理念的逐漸深入，教學(xué)模式要“學(xué)以致用，創(chuàng)新為魂”。快速原型技術(shù)符合各層次學(xué)生的實際能力水平，其以傳統(tǒng)工藝為基礎(chǔ)，進而培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。要處理好傳統(tǒng)工藝與先進工藝的比例關(guān)系，一是要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，二是發(fā)揮學(xué)生的潛力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。課程設(shè)計階段，快速原型技術(shù)要實現(xiàn)多學(xué)科技術(shù)的交叉融合，利用信息創(chuàng)新實踐平臺實現(xiàn)全面的資源共享。

（四）拓寬實踐范圍

1.實現(xiàn)多學(xué)科的融合。隨著工業(yè)服務(wù)水平的不斷提高，各個學(xué)校各方面資源缺乏，考核缺乏層次性，從低年級到高年級，從基本知識應(yīng)用到創(chuàng)新實踐操作。從知識由淺到深逐層的科學(xué)體系之間沒有明顯的梯度和層次。因此，工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中學(xué)生無法真正體會到實踐教學(xué)帶來的成就感和挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練只以實訓(xùn)技能為主，因?qū)嵙?xí)器材得不到及時的更新、維護和保養(yǎng)，導(dǎo)致一些工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)無法開展。因此，為了減少促進工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)的跨度，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計與其他學(xué)科的融合，首先是構(gòu)建快速原型技術(shù)與精益制造、敏捷制造等先進制造技術(shù)融合的平臺，工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)要以計算機數(shù)值模擬技術(shù)、控制工程技術(shù)和檢測技術(shù)與控制中心的理論知識為主體，利用信息技術(shù)把課程知識串接起來，不斷改進教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段。在實踐中注重設(shè)計項目的先進性、開放性、綜合性，進而設(shè)置不同的設(shè)計模塊和設(shè)計的發(fā)展思路，提高機組裝機組網(wǎng)等的實際操作技能，提高快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐中的應(yīng)用效果。

2.科學(xué)的運用。有的教師把所有的教學(xué)內(nèi)容都凌駕于現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)上，一堂課就是跟著課件跑，甚至有的教師都沒有板書，實際上只是讓現(xiàn)代化技術(shù)手段充當(dāng)講義和文稿的復(fù)印顯現(xiàn)功能。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能一開始會被教師新穎的教學(xué)形式所吸引，但當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)聽與視接受的都是同樣的信息時，新鮮感和興趣就會很快衰退。因此，在工業(yè)設(shè)計設(shè)計的實踐教學(xué)中，為了減輕自我神經(jīng)功能的負擔(dān)，就要控制他們很自覺或不自覺地選擇單一的聽或單一的看作為接受信息的途徑，從而讓快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中得到合理應(yīng)用。

四、總結(jié)

總之，快速原型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用豐富了大學(xué)生工程訓(xùn)練的內(nèi)容，形成了理論教學(xué)和創(chuàng)新實踐教學(xué)相結(jié)合的鮮明特色，從而顯著提高學(xué)生的實踐動手能力和實踐創(chuàng)新能力。

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