3D打印在UG软件课程中的应用
摘要：3D打印是基于离散、堆积原理的一种崭新的加工方式，是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物。目前，一些教育机构和组织已经开始重视其在教育领域的应用。将3D打印应用于UG课程教学中，提高了学生的创新设计能力，提高了学生的学习积极性。
关键词：3D打印；教育技术；课程
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）20-0251-02
一、UG设计课程的教学现状
UG是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）系统，功能强大，可实现各种复杂实体及造型的建构，是一款主流的三维设计软件。近年来，UG设计课程也在不断地改革与发展。从最初的命令讲解式的教学，到后来的实例教学，再到如今的基于工作过程系统化的教学。从教与学两个主体的辩证关系出发，不断改进教学方法，提高了教学质量，收到了较好的教学效果。但在课程教学的实际中，还存在如下问题：一是无论是案例教学中的实例还是工作过程系统化教学中的实例，都是固定的操作步骤与命令，学生根据教师的讲解一步步练习，没有充分发挥学生的主观能动性。二是对学生的职业素养、设计能力的培养不够，缺乏设计思路的练习，面对新产品、新设计，学生还是感觉无从下手。三是学生的设计作品是虚拟的数模，教师的点评显得空洞抽象，缺乏对设计作品的直观评价，反复改进创新设计比较困难。
二、3D打印技术在教育中的应用
3D打印是直接从数字模型通过层层堆积来生产三维实体的技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状的先进制造技术。“3D打印”是通俗叫法，“3D打印”在工业领域叫“快速成型”，后来业内形成统一叫法即“增材制造”。3D打印技术在上世纪80年代后期源于美国，是近年来世界制造技术领域的一次重大突破。在过去的几年里，由于受到计算能力、新型设计软件、新材料、创新推动及互联网进步的推动，3D打印技术迅速发展[1]。
3D打印技术的突破性发展引起了教育工作者的关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年版的《地平线报告》中将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，对3D打印做了较为详细的介绍，并认为该技术将会在4～5年内普及[2，3]。《3D打印：从想象到现实》一书的作者认为3D打印将打开教授和学习科学的全新方法的大门，将颠覆传统教育方式。故3D打印将不再只是一门先进制造技术的实训课程，它将会渗入到我们传统课程教学的课堂中，并发挥出巨大作用。
三、3D打印应用于UG课程教学的实践
1.课程改革思路。基于工作过程系统化的教学思路，要求机械加工过程有机联系、工艺规程选择合理，这是机械加工的必然要求。可在我院的实际教学过程中，3D打印与UG软件为两个独立的学习模块，相互之间没有通过具体零件制作有机结合起来，使得先进制造技术的教学不连贯，出现了脱节现象。因此，有目的地引导学生实训，通过零件设计、成型加工和精度检测等环节，对3D打印与UG软件教学内容结合进行学习，深刻领悟工艺过程连接的有机性、有效性和合理性，可提高教学效果。
2.课程改革的实施。修订旧的教学计划，将UG设计和3D打印实训两门课程合并为一门课，即工业产品造型设计及3D打印，课时为4周。教学过程组织如下：教师教授设计实例（比如手机支架、花瓶等），然后将学生分组，规定相应的设计要求，并提供丰富的课程资源，让学生自主讨论、学习、设计，然后用3D打印机将设计模型转变成实物，学生根据实物模型对设计结果进行评价，提出改进设计的思路，重新设计打印，直到做出符合设计要求的满意作品。课程教学组织流程如图1所示，在这个过程中，不仅让学生掌握了软件操作命令、设计方法，学会了3D打印机操作，而且培养了学生的创新精神、团队合作精神、设计理念和职业素养。笔者所在学校配有北京太尔时代科技有限公司的UP BOX 3D打印机和陕西恒通智能机器有限公司的3DP-300打印机等多种型号的桌面3D打印机，它们都属于熔融沉积类型（FDM），其材料可使用PLA和ABS两种热塑性塑料丝材。①工业产品UG造型设计及数据输出。在本课程的实际教学过程中，主要选用学生在日常生活中经常接触到的产品，如手机支架、手电筒、台灯等，对于这类产品的外观和使用要求，学生有非常直观的感受。教师首先选取一个实物进行UG建模设计步骤的讲解，然后让学生进行产品外观三维造型创新设计。要求外形美观，满足创意要求和设定的功能要求，具有良好的人机协调性。设计完成后，将CAD文件导出格式为STL的数据模型。②添加支撑与分层。导入数据模型文件至3D打印设备配套的编程软件中，进行产品零件的工艺设计及数控程序的编制。北京太尔时代科技有限公司的UP BOX 3D打印机可用其自带的UP软件，完成支撑添加与模型分层。陕西恒通智能机器有限公司的3DP-300打印机可用开源切片软件（如slic3r、cura等）完成打印层高、温度、速度、填充率、支撑等的设定。导出数据文件或者直接连接打印机进行打印。③3D打印。指导学生进行3D打印机初始化、工作台调平预热、打印喷嘴高度设定等实训操作，并特别注意观察第一层的打印质量，确保模型能牢固的粘在工作台上，不发生翘曲变形。随着3D打印技术的不断发展，设备的操作越来越简单，比如最新的UP BOX 3D打印机就具备了工作台自动调平功能。④模型后处理及设计评价。剥离产品的支撑材料，对产品的表面进行必要的打磨加工。学生根据实物模型对设计结果进行自主评价，提出改进设计的思路，如果需要可重新打印，直到做出符合设计要求的满意作品。
3.课程改革的效果。通过此课程的开展，充分发挥了学生的主观能动性，使越来越多的学生参与到创新设计活动中，并取得了良好的教学效果。我院学生在各类设计竞赛中都取得了较好的成绩，在2015年山东省职业院校技能大赛（高职组）“工业产品造型设计与快速成型”赛项中，笔者指导学生取得了第三名的较好成绩。
四、结语
通过工业产品造型设计及3D打印课程的学习，学生对课题要求与课程的有效性连接能产生清晰的认知，达到预期的教学效果。经过数控技术、模具设计与制造专业的试点，学生的设计作品得以实体成型，他们学习的积极性大大提高，同时对相关机床设备原理及选修课程产生了浓厚兴趣，并在数控机床、3D打印等学习中得到了贴近真实工作过程的锻炼。
综上所述，各种三维设计软件的掌握和使用已是工科院校学生的一门必修课程。他们由于对计算机软件及其操作已有了一定的基础，因此对简单软件的操作和讲解都能接受。但从零件设计和工艺角度来看，他们对实际零件的设计尤其是设计的合理性有所欠缺，而这正是本次工业产品造型设计及3D打印课程教学改革要解决的主要问题，通过一学期的教学实践，教学效果良好，收到了学生的一致好评。
参考文献：
[1]胡迪・利普森，梅尔芭・库曼.3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.
[2]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013，（4）：29-35.
[3]NMC.NMC Horizon Report：2013 Higher Education Edition[EB/OL].[2013-05-22].
http：//www.nmc.org/pdf/2013-horizon-report-HE.pdf.