林雪冬++孙建++叶京川

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.142

摘 要：本文将3D打印技术应用到《机械CAD/CAM》课程的教学之中，通过实例让学生体会从创新设计到3D打印实现创意的全过程，培养高职生在学习《机械CAD/CAM》课程中应用UG软件进行3D创意、3D设计以及3D造型的兴趣和动力，激发学生的创新意识，在实践中探索3D打印在培养高职生创新能力方面的积极作用。

关键词：3D打印 创新能力 UG；机械CAD/CAM

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（a）-0142-02

3D打印，以经过智能化处理后的3D数值模型为基础，通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂的3D实体形状[1]。其中，三维数字模型（建模）是基础；而高职课程《机械CAD/CAM》中CAD部分的学习恰是利用各种造型软件进行三维造型。课程的学习是基础，而3D打印使模型具象化，是动力，二者互为支撑，实现有机的结合。从现实的教学效果来看，在涉及利用三维软件进行自主创新设计时学生们往往显得力不从心，这就提醒我们在教给学生基本的工具使用方法外，更需要重视培养学生的创新设计能力，而3D打印为我们提供了这样一个平台。在国外，3D打印已经成为一种时尚[2-4]。目前，国内不少本科院校机械类专业已组建3D打印实验室，将3D打印引进课堂，举办基于创新设计的3D打印大学生技能比赛[5]。

为此，在进行《机械CAD/CAM》课程的讲授时，为了培养学生的创新能力，我们不妨可以将3D打印作为实现学生创新创意的平台，对同学因势利导，激发他们进行产品造型设计的创作热情，进而培养其创新能力。

1 3D打印工作原理与特点

1.1 工作原理

3D打印是快速成型技术的一部分，它是一种以数字模型文件为基础，运用各种不同形态的（粉末状、丝状、液状）金属、塑料或树脂等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术[1]。

打印所需的模型文件可通过三维软件（如UG、CATIA、Pro/E等）建模，或使用3D扫描仪直接进行扫描、逆向建模。模型文件导入机器后，需要进行模型的分层处理，一般是借助切片软件对模型数据进行逐层分切，获取每层的截面信息。切片软件一般由各个3D打印机生产厂商独立开发，适用于一类机型。

1.2 特点分析

与传统技术相比，3D打印具有如下特点与优势：（1）由于无需生产线及各加工设备，降低了成本；（2）由于是增材制造，减少了材料浪费；（3）可以制造出传统生产技术无法制造出的外形及复杂型腔；（4）可以实现个性化产品的定制；（5）极大的减轻产品重量；（6）产品研发周期缩短。

2 3D打印培养高职生创新能力的探索

通过前期教学发现同学们在应用三维软件（以UG为例）进行建模时出现一些问题，归纳如下：

（1）可以利用常见的基本命令进行简单模型的创建，而一旦涉及到相对复杂的曲面建模则比较棘手；

（2）缺乏主动学习三维建模的热情，只是简单完成老师布置的基本任务；

（3）没有自主进行创意设计的意识。

调查发现，广大学生在学习三维建模过程中通常不会主动去思考创新创意问题。将3D打印技术融入《机械CAD/CAM》课程的讲授中，培养高职生创新能力是一种新的尝试与探索。

进行高职生创新能力的培养，针对的对象应该是一个群体，即那些对于三维建模有着浓厚兴趣的同学，这一创新能力培养模式的实践时间及场所应该是在课堂以外，不应影响正常的教学活动。以《机械CAD/CAM》的教学为例，具体实施时，首先是要在机制专业建立一个创新学习小组，以学生的自愿报名为前提，以第二创新课堂为学习场所，利用课外时间进行创新能力的学习及培养。具体而言，以《机械CAD/CAM》的教学为例，可以按照以下步骤操作：

（1）在阐明创新学习小组的学习内容及意义后，面向机制专业所有同学，以学生的自愿报名为主，建立创新学习小组；

（2）开展创新学习课堂教育，以3D打印技术作为新鲜元素，在学习过程中进行有机的联系，鼓励学生进行创作。如：在进行机械零部件的三维建模时，可以引导学生进行一些相对复杂但又能引起学生兴趣的产品的造型、创作，比如“钢铁侠”的头盔，或者是学生们自己设计出来的一款独特的“水杯”；

（3）在条件允许的情况下，通过3D打印技术，将学生自己设计并建立出来的数字模型打印成真实产品。让学生充分体会从模型设计到打印出产品的成就感，从而激发学生的自主创新意识和热情；

（4）学生交流展示自己设计并打印的工业产品，激发创新意识，培养创新能力。如此，广大学生不仅能够熟练掌握一门三维造型软件，更加重要的是给他们种下了一颗具有自主创新意识的种子。

将3D打印作为实现创新创意的载体，可以是不同领域、不同产品的创新，这就意味着学生的创新创意也可以是多领域的。可以想象，学生为了能够实现个性化的独特的产品的打印，势必要主动进行创新活动，而在产品的三维建模过程中学生必将主动学习相关的建模操作命令。可见，引入3D打印技术这一新元素，既完成了学生创新创意的有效引导，培养了学生的创新能力，同时又带动学生主动进行《机械CAD/CAM》课程的学习。

3 3D打印培养高职生創新能力的具体实践

3.1 水杯的创新设计

在机械CAD/CAM课程的讲授过程中，当学生完成了基本的草图绘制及常见的实体拉伸等命令的学习后，可以通过具体实例训练大家的熟练程度，并且，可以将创新意识慢慢植入学生的学习之中。以日常生活用品水杯为例，我们常见的水杯都是圆形杯身，耳朵状杯柄。现在我们完全可以根据自己的喜好，在满足水杯装水的基本功能后大胆创新，利用UG绘制完全不一样的水杯。如图1（a）所示，为创新设计后的水杯杯身，杯柄。可以看到，杯身变成了圆弧形成的曲面形状，而杯柄则由传统的耳朵状、封闭式变成了自由开放式，这样的改变使得水杯这样简单的生活用品更具个性化。建模过程具体如下：endprint

（1）草绘构建杯身截面图，旋转形成杯身实体；

（2）绘制杯柄轨迹作为引导线，绘制椭圆作为扫掠截面。扫掠形成杯柄；

（3）薄壁形成中空的水杯；

（4）平行于杯身截面图新建一个平面，在新建的平面上利用文本轮廓命令写汉字，并利用曲面处理选项卡下面的投影命令将文字投影至杯身曲面上。对文字进行法向拉伸，形成立体文字；

（5）将模型保存，并导出“.stl”格式，准备后续3D打印。

3.2 水杯实物打印

模型建立完成后即可导入到3D打印机中进行打印。本文采用学院3D打印中心的UPMini 208550设备打印制作水杯，该设備提供多种打印模式，本例中采用电脑连接3D打印机并脱机打印的方式。图1（b）所示为水杯打印过程，打印完成后的水杯实物如图1（c）所示。

4 结语

基于3D打印技术平台，在学习《机械CAD/CAM》课程中创建第二课堂，组建创新学习小组，在完成专业知识学习的同时，通过引入3D打印新兴技术，激发学生的创新创作热情，培养高职学生的创新能力和自主学习行为，转变目前以教为主到以学为主的学习模式，激发学生的学习热情，不断提高学生的自主创新意识。学生在主动参与、善于思考的过程中提高了管理能力、动手能力和创新创意设计能力。

参考文献

[1] 吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] Steve Wilkinson，Nick Cope. Chapter 10—3D Printing and Sustainable Product Development [J].Green Information Technology， 2015（161）：183.

[3] Christian Weller， Robin Kleer， Frank T.Piller. Economic implications of 3D printing：Market structure models in light of additive manufacturing revisited[J].International Journal of Production Economics，2015（164）：43-56.

[4] Nanyang Technological University. New center to host Singapores first international 3D printing competition [EB/OL].http：//www.3ders.org/articles/20131217-ntu-sing

apore-holds.

[5] 王雪莹.3D打印技与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（62）：3-5.endprint