基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計混合式教學(xué)應(yīng)用

胡星曄 鄒澤昌

摘? 要：隨著我國工業(yè)化步伐的推進，傳統(tǒng)手繪和手工模型制作的教學(xué)方法已無法滿足培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計教學(xué)，通過任務(wù)驅(qū)動完成設(shè)計構(gòu)想、數(shù)字建模、FDM打印、模型評估改進全流程，具有直觀、迅速、易于修改等優(yōu)勢，通過混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)面對面的課堂教學(xué)知識點、實驗實操技能點與線上學(xué)習(xí)資源進行深度融合，線上線下優(yōu)勢互補，突破了傳統(tǒng)教學(xué)時間、空間限制，有效提升了學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字建模；FDM打??；工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計；實踐教學(xué)

中圖分類號：TP39；TH164? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）05-0167-04

Blending Learning Application of Industrial Product Model Design Based on Digital Modeling and FDM Printing Technology

HU Xingye， ZOU Zechang

（School of Mechanical and Intelligent Manufacturing， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou? 350007， China）

Abstract： With the advancement of Chinese industrialization， the traditional teaching method of hand-painted hand-made models can no longer meet the needs of cultivating high-quality applied talents. It introduces 3D digital modeling and FDM printing production into industrial product model design teaching， completes the whole process of design conception， digital modeling， FDM printing， model evaluation and improvement by task driven， and it has the advantages of intuition， rapidity and easy modification. Through the blending learning mode， the traditional face-to-face classroom teaching knowledge points， experimental practical skills points and online learning resources are deeply integrated， and the online and offline advantages are complementary， which breaks through the limitation of traditional teaching time and space and effectively improves the learning effect.

Keywords： digital modeling; FDM printing; industrial product design; practical teaching

0? 引? 言

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計是為制造工業(yè)產(chǎn)品所進行的設(shè)計，傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計流程主要包括市場調(diào)研、確定設(shè)計方向、設(shè)計草圖、制作效果圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作模型和評估分析模型等[1]。其中，產(chǎn)品模型制作至關(guān)重要，通過將產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)、比例、功能、人機關(guān)系等設(shè)計概念立體化呈現(xiàn)，具有說明性、可觸性、實踐性、啟發(fā)性等優(yōu)點。

隨著我國工業(yè)化步伐的推進，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計對經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進作用日益凸顯，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計人才的需求日益緊迫。以產(chǎn)品造型為例，造型基礎(chǔ)技能主要包括手工造型、攝影攝像造型和計算機造型等，而涉及工業(yè)產(chǎn)品造型的產(chǎn)品展示模型傳統(tǒng)上主要通過油泥、木材、石膏、塑料、金屬等材料制作，工藝耗時長且不易修改優(yōu)化。伴隨著科學(xué)技術(shù)水平和信息化程度的不斷提高，通過平面或立體手繪表達(dá)輔以手工制作模型的教學(xué)實踐方法已無法滿足培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，因此開展工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計類課程的實踐教學(xué)改革研究工作，對縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和成本，促進職業(yè)教育水平的提升具有很強的理論及實際指導(dǎo)意義。

1? 數(shù)字建模軟件在工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計實踐教學(xué)中的作用

數(shù)字建模是指根據(jù)設(shè)計者的數(shù)據(jù)、草圖、照片、工程圖紙等信息在計算機上利用CAD軟件構(gòu)建出三維模型的過程。通過計算機造型可三維動態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)品工作狀態(tài)和虛擬裝配過程，并可隨時參數(shù)化修改尺寸、材質(zhì)和色彩，具有表現(xiàn)直觀、靈活度高、成本低、修改周期短等優(yōu)點，這種區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計方法的全新設(shè)計思維客觀上已成為工業(yè)設(shè)計師必須掌握的重要造型方法之一，它帶給產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的不僅僅是藝術(shù)創(chuàng)作形式的改變，更是創(chuàng)作思維方式上的變革，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。目前主流的工業(yè)設(shè)計類數(shù)字建模軟件有UG、Solidworks、Inventor等，藝術(shù)設(shè)計類的有Maya、Rhinocero、ZBrush等，兩者的主要區(qū)別在于藝術(shù)類更注重藝術(shù)性和審美，工業(yè)類更注重產(chǎn)品尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)系，更適合零件電子產(chǎn)品尺寸比較高的物體。在課程教學(xué)中，主要引入Solidwoks軟件進行實踐訓(xùn)練。以槍型打火器產(chǎn)品為例，學(xué)生手繪設(shè)計稿如圖1所示，學(xué)生數(shù)字建模圖如圖2所示，兩種模型繪制方式的優(yōu)劣對比如表1所示。

由表1可以看出，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計實踐教學(xué)中，采用數(shù)字建模的優(yōu)勢在于耗時短、效率高，具有參數(shù)可反復(fù)修改、可混合建模、動態(tài)演示觀察、動畫拆分等優(yōu)點，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對三維空間造型的理解能力和作圖表達(dá)能力，對產(chǎn)品的遮擋關(guān)系、裝配關(guān)系有更加直接的認(rèn)知，從而有效把握平面設(shè)計與空間三維造型之間的關(guān)系，還有助于提高學(xué)生對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與加工關(guān)系的認(rèn)識，為之后的加工制造提供多元可靠的數(shù)據(jù)支持。

2? FDM打印加工在工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計實踐教學(xué)中的作用

從20世紀(jì)80年代末誕生至今，3D打印由于具有高度柔性、可CAD模型直接驅(qū)動、成型快速、技術(shù)高度集成等特點在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，而熔融沉積成型（FDM）工藝因設(shè)備簡單、成本低廉和快速高效等優(yōu)點，成為3D打印技術(shù)中一種發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛的類型[2-5]。

FDM打印技術(shù)原理是采用離散方式產(chǎn)生空間小三角形面片逼近實體模型，并沿高度方向進行分層切片，獲得可供FDM打印機識別的模型文件，打印機在讀取每層的數(shù)據(jù)信息后，控制軟件將運算產(chǎn)生加工軌跡并將低熔點絲材（ABS、PLA）加熱至熔融狀態(tài)，通過噴嘴將絲材選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成制件截面輪廓，當(dāng)一層成型后，工作臺下降一個截面層的高度，噴頭再進行下一層的涂覆，往復(fù)循環(huán)最終得到一個三維實體[6，7]。

由于FDM打印的增材制造，快速高效且不受復(fù)雜的曲面和結(jié)構(gòu)限制，人們的創(chuàng)意和想象更具發(fā)揮的空間，產(chǎn)品模型設(shè)計將具更豐富的可能性，為產(chǎn)品的工程設(shè)計、制造以及市場營銷提供了更為全面高效的參考。為此，在實踐教學(xué)中引入FDM快速成型打印制造，如圖3所示，學(xué)生在分組線上學(xué)習(xí)FDM工藝流程和設(shè)備操作技能點后，線下利用FDM打印機進行實操，如圖4所示為學(xué)生FDM打印實踐作品?？梢钥闯?，在課程設(shè)計實踐教學(xué)中采用FDM打印技術(shù)，能強化學(xué)生們的實踐技能，提升自主分析和解決問題的能力，從而加深對產(chǎn)品設(shè)計理念的理解。

3? 基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計實踐教學(xué)案例

雖然數(shù)字建模對工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計實踐教學(xué)起到了強大的輔助作用，但由于產(chǎn)品總體設(shè)計是否合理、零件之間有無干涉在使用虛擬數(shù)字模型時存在不確定性，想象過程較為抽象，對不少高職學(xué)生來說仍存在困難。此外，建模過程只是單純進行模型設(shè)計和構(gòu)建，無法對產(chǎn)品實物進行比對與評估，故整個學(xué)習(xí)過程無法實現(xiàn)閉環(huán)控制和學(xué)習(xí)效果最終評價[8]。因此，在教學(xué)實踐中，通過引入數(shù)字模型設(shè)計并結(jié)合FDM打印加工演示驗證，可在短時間內(nèi)完成產(chǎn)品設(shè)計和制造，大大節(jié)省了加工成本和時間，提高了制造效率，產(chǎn)品直觀形象，在教學(xué)實踐中具有很強的靈活性和經(jīng)濟性。

以創(chuàng)意筆筒設(shè)計為例，學(xué)生以小組為單位，針對上述主題進行產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計，提示在具備吸引力和表現(xiàn)力的同時，兼顧產(chǎn)品的功能與實用性。如圖5到圖10所示，學(xué)生通過構(gòu)建二維草圖、實體旋轉(zhuǎn)切割、零部件裝配、材質(zhì)渲染等步驟完成了模型建立。其中，A組同學(xué)以哆啦A夢的百寶袋為切入點，將袋子創(chuàng)意改造為放筆處，如圖5所示，功能造型兼?zhèn)洌钊藧鄄会屖?。B組同學(xué)則是將雪人的手臂改造為插筆處，如圖8所示，兩個清新的小雪人手挽手，也可作為情侶間禮物饋贈，以示風(fēng)雨同舟?？梢钥闯?，產(chǎn)品在通過數(shù)字模型的形象表達(dá)后，生動直觀地反映了設(shè)計理念和功能要求。再將數(shù)字模型stl格式化后，即可直接用于FDM打印加工，無須準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝夾具，幾個小時即可完成整個筆筒模型的制作，相較于其他制作方法，更加高效便捷。除了快速性，質(zhì)感方面，從圖7和圖10中可看出產(chǎn)品整體光潔度良好，哆啦A夢的五官和雪人帽檐的花紋的細(xì)節(jié)也得到清晰表達(dá)。但需要指出的是，在評估環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)A組存在筆筒比例過小、放置不穩(wěn)定的問題，提示學(xué)生后續(xù)可通過將筆筒鏤空或放大比例進行改進和優(yōu)化。

4? 基于數(shù)字建模和FDM打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計實踐教學(xué)特點

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計流程中主要以手繪技巧和手工模型制作為主要表達(dá)方式，對繪圖技法、透視原理、空間造型、審美能力等有較高要求，隨著信息化技術(shù)手段的不斷進步和發(fā)展，將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計教學(xué)，能有效降低不同層次學(xué)生進行產(chǎn)品設(shè)計表達(dá)的門檻，相對于傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式，其特色主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1? 在傳統(tǒng)技藝的基礎(chǔ)上實現(xiàn)課程教學(xué)手段創(chuàng)新

手繪表現(xiàn)技法是一個將思維物化的過程，是產(chǎn)品設(shè)計師自身設(shè)計思維表達(dá)的路徑，它不同于一般的藝術(shù)創(chuàng)作，而是需在傳統(tǒng)技藝的基礎(chǔ)上，更有針對性地了解產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)，它不僅僅是設(shè)計師個人風(fēng)格的體現(xiàn)手段之一，更是工業(yè)設(shè)計師與投資生產(chǎn)商之間進行溝通交流的媒介之一。但通過將圖片、文字、符號等內(nèi)容以視覺化的方式靜態(tài)呈現(xiàn)于紙上的形式，在產(chǎn)品表現(xiàn)上仍略顯單薄。為此，通過數(shù)字建模軟件進行產(chǎn)品設(shè)計，可隨時參數(shù)化修改產(chǎn)品的尺寸、材質(zhì)和色彩，得到的數(shù)據(jù)模型再通過FDM打印，可突破材料、空間的界限，使產(chǎn)品表達(dá)快速具象化、多維化，整個環(huán)節(jié)經(jīng)濟快速，非常適合高校的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。同時，學(xué)生經(jīng)過對模型的自主探索推敲并優(yōu)化設(shè)計這一完整連續(xù)的實踐過程，能有效加深感性認(rèn)識，并彌補在校進行產(chǎn)品設(shè)計時經(jīng)驗不足的問題，有效提升了教學(xué)效果。

4.2? 以賽促教實現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

在實踐教學(xué)過程中，依托1+X增材制造設(shè)備操作與維護職業(yè)技能等級證書考核和職業(yè)技能大賽“工業(yè)設(shè)計技術(shù)”“工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計與3D打印”等相關(guān)賽項，將競賽內(nèi)容、技能考核要求融入課程內(nèi)容架構(gòu)和課程考核評價，通過選取有代表性的產(chǎn)品案例，如自主設(shè)計多功能筆筒、兒童理發(fā)器、掃地機器人、便攜臺燈、便攜加濕器等，由淺入深，通過任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生完成項目實戰(zhàn)，充分給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)多樣性，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.3? 線上線下混合實現(xiàn)課程教學(xué)模式創(chuàng)新

如圖11和圖12所示，線上通過信息化教學(xué)平臺將數(shù)字建模過程和FDM打印的技能點以視頻、動畫、多媒體等形式進行講解，如圖13所示，以小組討論、頭腦風(fēng)暴、在線測試等方式與學(xué)生進行互動，線下通過分組實操、組間互評、教師點評等方式進行設(shè)計實踐，通過線上線下混合教學(xué)，突破傳統(tǒng)教學(xué)時間、空間限制，為做而學(xué)，以學(xué)促做，做學(xué)相長，全面檢驗了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際操作能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

5? 結(jié)? 論

將三維數(shù)字化建模和FDM打印制作引入工業(yè)產(chǎn)品模型設(shè)計教學(xué)，利用計算機生成的虛擬模型模擬產(chǎn)品的外觀造型、色彩、質(zhì)感及人機關(guān)系，并利用先進的快速成型手段進行產(chǎn)品原型制造，具有直觀、迅速、易于修改等優(yōu)勢，使設(shè)計工作各個環(huán)節(jié)高度整合，有效改變原本重復(fù)的基礎(chǔ)性工作，有助于加快設(shè)計進度，提高工作效率，在更高層面上提高設(shè)計品質(zhì)。同時，通過課程教學(xué)手段創(chuàng)新，有效降低了不同層次學(xué)生進行產(chǎn)品設(shè)計表達(dá)的門檻，對學(xué)生設(shè)計思維的活躍和靈感激發(fā)具有深入、完善的積極作用，實現(xiàn)了教學(xué)過程的閉環(huán)控制。

依托1+X考證及其職業(yè)技能大賽，將競賽內(nèi)容、技能考核要求融入課程內(nèi)容架構(gòu)和課程考核評價，通過任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生完成項目實戰(zhàn)，充分給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)多樣性，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

借助現(xiàn)代教育技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)優(yōu)化整合教學(xué)資源，通過混合式教學(xué)模式實現(xiàn)線上線下優(yōu)勢互補，突破了傳統(tǒng)教學(xué)時間、空間限制，有效幫助教學(xué)目標(biāo)順利達(dá)成。

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作者簡介：胡星曄（1981—），女，漢族，福建福州人，副教授，碩士，研究方向：機械設(shè)計、增材制造。

收稿日期：2022-10-10

基金項目：福建省增材制造創(chuàng)新中心開放課題（ZCZZ202-03）