3D打印教學(xué)方法探討

劉德友

【摘 要】3d打印技術(shù)是一種什么樣的技術(shù)，簡單來說它是一種逐層打印的技術(shù)。本文從三個方面來闡述3d打印如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)過程，軟件應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容，相信學(xué)好這門技術(shù)對于學(xué)生來說，不管是在今后的學(xué)習(xí)中還是將來的工作中都會起到舉足輕重的作用的。

【關(guān)鍵詞】正向教學(xué)設(shè)計;逆向工程;測量;檢測

3d打印技術(shù)是什么？簡單來說3d打印技術(shù)是一種能將電腦中的3維數(shù)據(jù)模型打印成實(shí)體的一種技術(shù)，按3維數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層打印，就像蓋房子一樣，磚塊是一層一層的，但累積起來后，就成一個立體的房子了。

如今人們用3d打印的方法來制造模型模具、汽車、醫(yī)療器械，牙齒骨骼等。3d打印的優(yōu)點(diǎn)就是它可以極大地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，從而提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，因?yàn)樗恍枰魏蔚哪Ｐ停?d打印能夠打印出一些特殊的形狀而不需要任何的模具。

關(guān)于3d打印如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)？我們用3d打印機(jī)將設(shè)計好的3d電子模型打印成實(shí)體。將一個3d模型打印成型的時間還是很長的，需要若干小時。所以打印實(shí)體的時間我們應(yīng)該盡量放在課下時間去完成，由于學(xué)習(xí)3d打印的課時也是十分有限的，如何在短暫的學(xué)習(xí)時間里學(xué)好3d打印這門課程就變成了一個需要探討的問題。

我認(rèn)為3d打印主要從以下3個方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

一、正向教學(xué)設(shè)計

要想做出一個3d打印的實(shí)體，設(shè)計軟件是必不可少的，也是必須要學(xué)習(xí)的內(nèi)容之一。通過3維設(shè)計軟件我們可以將頭腦中的構(gòu)思轉(zhuǎn)化成電腦中的3維數(shù)據(jù)信息，再通過正向設(shè)計軟件將電腦中的3維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一個加工和處理，成型后我們就可以將數(shù)導(dǎo)出到3d打印機(jī)中進(jìn)行打印了。由于打印過程是比較長的過程，所以上課就不作為重點(diǎn)來講述，我們利用上課的寶貴時間來進(jìn)行3維正向軟件設(shè)計的教學(xué)。例如我們可以學(xué)習(xí)3ds設(shè)計軟件freeform，了解其功能和使用方法。FreeForm是能夠在電腦上對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計和構(gòu)建的一種軟件，設(shè)計人員可以按自己的想法設(shè)計三維造型，同時結(jié)合電腦CAD的功能就能做出自己想要的模型。FreeForm的功能是十分強(qiáng)大的。它是正向教學(xué)設(shè)計里一個必不可少的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

二、逆向教學(xué)設(shè)計

逆向教學(xué)設(shè)計是我們重點(diǎn)要討論的一項內(nèi)容。

什么是逆向工程技術(shù)？

從總體概念上講，產(chǎn)品設(shè)計過程是這樣一個過程：設(shè)計者首先構(gòu)思產(chǎn)品的形狀和一般技術(shù)參數(shù)，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字模型，例如用FreeForm設(shè)計完成之后再將模型傳遞給制造商。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程我們可以稱為正向設(shè)計。而逆向工程是指在沒有設(shè)計圖或不完整的設(shè)計圖的情況下，基于對現(xiàn)有產(chǎn)品模型的測量和數(shù)據(jù)處理，重新設(shè)計產(chǎn)品的三維CAD模型的過程。例如，我們只有一個產(chǎn)品樣品還沒有其cad數(shù)據(jù)，我們要對這個樣品進(jìn)行批量生產(chǎn)，那么我們就可以通過逆向工程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。逆向工程需要通過數(shù)字化測量設(shè)備如光學(xué)測量設(shè)備等獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)。例如我們會用到高精度三維掃描儀。高精度三維掃描儀可以生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使工件表面的細(xì)微部分得到清晰的表達(dá)，測量的精度十分高。三維掃描儀可以輕松地獲取曲面信息，可以在極少的時間內(nèi)獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，效率很高。

逆向工程分為兩個階段：第一步，對物體或組件進(jìn)行快速而精準(zhǔn)的三維掃描。第二步，通過逆向工程軟件將得到的數(shù)字化圖像轉(zhuǎn)化為適用于不同項目的三維表面模型（CAD 數(shù)據(jù)集）。這里面就又涉及到了一個我們需要學(xué)習(xí)的軟件：逆向工程軟件。逆向工程軟件有很多，這里我們主要學(xué)習(xí)是軟件是wrap和design X兩個軟件。學(xué)習(xí)軟件的功能和主要作用。通過對軟件的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更加熟悉和了解逆向工程的原理，為接下來的學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。

我們通過三維掃描對樣件進(jìn)行掃描，整個掃描過程十分迅速且無接觸，因此，它甚至適用于任何大小的易碎或易變形物體。不論物體的復(fù)雜性、邊緣及切割如何變化，系統(tǒng)都能以高精確度與高分辨率呈現(xiàn)物體的所有細(xì)節(jié)。此外，以掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的CAD數(shù)據(jù)集可直接與原始掃描數(shù)據(jù)相比較。這種方式保證了在逆向工程過程中，沒有任何細(xì)節(jié)被遺漏或忽略。

高職院校逆向工程的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新思維的發(fā)展。逆向工程實(shí)驗(yàn)采用開放式教學(xué)模式，根據(jù)教學(xué)要求、專業(yè)特點(diǎn)等因素，學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)項目，確定合適的實(shí)驗(yàn)時間預(yù)定實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)項目分為三個階段：一階段，二階段，三階段。

一階段的實(shí)驗(yàn)項目可以通過將公差協(xié)調(diào)與技術(shù)測量或機(jī)械精度設(shè)計與試驗(yàn)基礎(chǔ)、機(jī)械工程測試技術(shù)相結(jié)合來制定。二階段，三階段是在一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行一個拔高的過程，要針對不同學(xué)生的情況來進(jìn)行項目實(shí)驗(yàn)的開展。

在實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。根據(jù)學(xué)生的個體需要和學(xué)生能力形成的不同階段，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以鼓勵學(xué)生善于思考，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識指導(dǎo)實(shí)踐和科研的能力。

三、通過3d掃描進(jìn)行實(shí)體測量及檢測

學(xué)生通過3d掃描進(jìn)行實(shí)體測量可以加深對理論課程的相關(guān)內(nèi)容的理解，如機(jī)械精度設(shè)計和測試基礎(chǔ)中的公差和協(xié)調(diào)，并且掌握特定工件形狀和位置的測量方法和評價方法。

首先，利用三維掃描儀對現(xiàn)有的物理模型進(jìn)行精確、高速的掃描，獲取三維輪廓數(shù)據(jù)，其次，利用反求軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，并在線分析重建曲面的精度。對施工效果進(jìn)行評價，生成IGES或STL數(shù)據(jù)。STL數(shù)據(jù)表面故障處理后，實(shí)體直接快速成型機(jī)器生產(chǎn)。利用三維掃描儀或者拍照式測量系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)配合質(zhì)量檢測軟件，可快速的對機(jī)械零件進(jìn)行質(zhì)量檢測。

在這里面我們需要用到的質(zhì)量檢測軟件有g(shù)om軟件。這是一款非常優(yōu)秀的質(zhì)量檢測軟件，通過它我們可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，產(chǎn)品的測量，并且效率十分的高。不僅能測量任何的常規(guī)尺寸，還可以測量任意位置的公差值，偏離值通過七種色彩表現(xiàn)出來，非常直觀。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以設(shè)計自己的掃描方案，研究復(fù)雜曲面的路徑優(yōu)化問題，并在CAD軟件中利用自己的想象力從表面模型到實(shí)體模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。對實(shí)體數(shù)據(jù)的3d測量能夠培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)他們的自主思維和積極的創(chuàng)新精神。

通過3d掃描進(jìn)行實(shí)體測量及檢測過程是一個多學(xué)科的協(xié)同過程。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以拓寬知識，了解其應(yīng)用領(lǐng)域，如飛機(jī)、汽車、玩具和家用電器等相關(guān)領(lǐng)域的模具，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如人工生物骨等。提高幾何測量、數(shù)學(xué)、計算機(jī)視覺、圖形處理、數(shù)字制造等多學(xué)科應(yīng)用能力，為今后的技術(shù)工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

總結(jié)，以上就是我對3D打印教學(xué)以及與其教學(xué)相關(guān)的三個方面的一些思考。3d打印技術(shù)是一個很有發(fā)展前景的技術(shù)，相信學(xué)好這門技術(shù)對于學(xué)生來說，不管是在今后的學(xué)習(xí)中還是將來的工作中都會起到舉足輕重的作用的。作為技工院校，我們應(yīng)該緊跟時代發(fā)展的步伐，努力提高學(xué)生的實(shí)踐能力。為學(xué)生提供更廣闊的思維空間。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戴侃.3D設(shè)計軟件導(dǎo)學(xué)教程的設(shè)計研究[D].華中科技大學(xué)，2011.

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