3D打印技术在工业设计专业教学中的应用
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作者: 郑涛
摘要：3D打印技术是一种新型的快速成型技术，能够将物体利用逐层打印这一方式立体地展示出来，这一技术的发展也为工业设计等专业的教育工作的展开提供了新的途径与思路，3D打印技术能够将抽象的设计思路形象地展示出来，让学生看到三维的实体模型，从而提高其思维能力与实践能力。文中将对3D打印在高校教学中的应用现状进行简述，然后分析3D打印技术在工业设计专业教学中应用的意义与作用，最后提出推动其广泛应用的有效途径。
关键词：3D打印技术；工业设计专业；教学应用
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0225-02
3D打印技术的产生与应用有利于促进相关专业与行业的进一步发展，高等院校的工业设计专业意在培养具有高素质、高专业技能的工业设计人才，而3D打印技术在教学中的引入对人才的培养有着极大的推动作用，高校在教学中应当对该技术的应用予以重视，努力提高教学水平，使学生的能力与素质能够得到有效的提升，为我国工业设计行业提供不竭的人才支持。
一、3D打印在高等院校教学中的应用现状
3D打印的优势在于快速成型以及增材制造，3D打印设备能够以三维数据图为依据将图纸上的设计制作成为实物，立体地展示出来。高校是工业设计人才培养的重要场所，为了提高教学效率，使人才的能力与素质能够满足市场的需求，很多高校都开始引进3D打印设备，并将其应用到实际的教学活动中。
我国的3D打印技术尚处于初级阶段，技术、设备的研究仍不成熟，3D打印在高校教学中的引入，一方面是为了促进教学工作的展开，另一方面也是为了加快3D打印技术的研究。华中科技大学、清华大学、北京航空航天大学等高校都有专门进行3D打印技术研究的机构，且其水平较高。很多高校还与企业合作，将自己的研发成果供与企业生产。机械制造、航空航天、产品研发等领域都可应用到该技术，因此，相关的工业设计专业应当在教学中引入3D打印设备，以开拓学生的视野，提高学生的实践能力，增强学生就业竞争力。但是在教学应用的过程中也暴露出了一定的问题，首先，3D打印具有一定的局限性，例如其模型规模最大仅能达到1.8米，如果在课堂上需要生产设计一些大型的交通工具模型，仅凭3D打印技术是无法完成的；其次，由于我国在相关方面的研究仍然处于初级阶段，因此技术成本、设备成本均相对较高，高校的经济收入有限，这种情况使高校难以大范围地将3D打印技术与设备投入到教学实践中；再次，3D打印可应用的领域较多，由于不同领域的需求不同，因此3D打印设备也存在类型、型号等方面的差异，而高校一般引进的技术设备都较为单一，这种情况对教学效果有一定的影响。
二、3D打印应用于工业设计专业教学的意义
1.提高学生的基础理论素质。工业设计专业具有较强的综合性，其涵盖的范围广，技术难度大，学科交叉明显，而3D打印技术兼具材料科学、控制技术、机械技术、光学工程、计算机技术等内容于一体，在教学中应用这一技术能够加深学生对专业知识的感知与了解，学习3D打印技术能够拓展学生视野，扩充学生的知识结构，提高学生的综合素质。社会的发展离不开人才的支持，具有实践能力固然重要，但是学生同样应当具备与自身能力相匹配的理论素质。学生只有同时具备软件操作能力以及设计知识才能够熟练地对设备进行操作，因此将3D打印技术的相关知识纳入到工业设计专业的学科体系建设中是十分必要且重要的，对这一技术的学习能够提升学生的理论素质，提高学生的综合能力。增加学生的知识储备是3D打印技术在教学中应用的基本出发点。
2.提高学生的实践操作能力。在传统的工业设计专业教学中，理论讲述是重点，关于模型设计的内容大多通过单纯的讲解或者二维图像展现给学生，在实践操作课程中，教师仅能够指导学生制作简单的模型，而对于内部结构复杂的模型，学生仅能通过自己的想象进行理解，这种教学方法禁锢了学生的思维，不利于学生创造思维与设计能力的提升。而3D打印技术可根据图纸以及相关数据将实物模型展示出来，保证一次成型，不会受到模型结构复杂等问题的影响。在教学过程中学生可以充分发挥想象，设计产品，并利用3D打印机将自己的想法变为现实，这种教学方式能够拓展学生的思维，提高学生的创造力与想象力。学生在专业课程的学习中能够亲身实践，自主设计产品方案，在利用3D打印技术进行试验的过程中，学生能够发现设计方案中的不足并有针对性地对方案进行改进，直到设计完全符合要求与标准，这种反复修改的过程能够提高学生在实践设计中的科学性与严谨性。
3.推动产学研模式的发展。工业设计专业的教学安排应当以当前市场的需求为依据，高校应当关注相关行业与产业的发展动向，很多高校都开始逐渐意识到校企合作的重要性，并与周围的企业展开了密切的合作，即努力建立产学研模式，促进人才、高校、企业的全面发展。3D打印技术的应用为产学研一体化教学模式的展开提供的有利的条件，这一技术在未来工业制造发展中起着重要的引领作用，无论是企业还是高校都应当认识到这一发展趋势，但是当前3D打印设备的成本较高，企业若想将其用于生产，资金投入将达到几十万，甚至是几百万，这对企业来说是不利的，而当前很多高校不仅有丰富的人才资源，同时还具有先进的3D打印设备，二者的结合将促进产学研模式的深入完善。学生可以利用3D打印机将自己的设计想法展示出来，企业择取最优方案投入生产实践。总的来说，3D打印技术在高校的应用能够促进高校、人才与企业的共同发展，提高产学研的水平。
三、推动3D打印广泛用于工业设计专业教学的途径
1.将手工制作与3D打印结合起来。3D打印虽然具有成型迅速等优势，但是在实际的教学过程中，课堂所需的实物模型有大有小，而学校引进的打印设备较为单一，仅能满足对某一个尺寸或某几个尺寸的需求，过大的模型是无法通过3D打印展示出来的，因此在课堂教学中还应当对手工制作模型予以足够的重视，在手工制作中，学生能够切实体会模型制作的问题与不足，而3D模型则能够对复杂结构予以展示，两种模型制作方法的综合运用能够使学生的动手能力与思维能力得到全面的提升。 2.应用于教具开发。3D打印技术十分适合应用在自主研发和小规模生产环节。在高职院校工业设计教学中，很多课程在授课过程中都需要使用实物教具，以加深学生对知识的理解。但是，大多数教具都需要根据教学内容加以定制，很难在市场中采购到。例如，《设计概论》课程中需要设计史上著名的设计作品的实物教具；《机械制图》课程中需要通过实物模型向学生讲解形体的三视图；《产品设计》课程中需要把学生设计作品转化成实体模型；《计算机辅助设计》课程中需要通过教具模型让学生理解三维建模软件的形面构建。这些教具都可以通过3D打印技术实现自主设计和小规模生产，这样教具与学生所学知识就可以实现无缝对接。同时，教具还可以根据授课内容的更新，实现自主设计和更新。通过3D打印技术将书上或纸上的知识或图片立体地展示给学生，学生对知识点的理解会更加直观，教学效果也会得到极大提升。
3.加深校企合作的深度与广度。3D打印设备成本与打印材料的成本均较高，因此即使学校购买了相关设备，受到打印材料的限制，也无法将其广泛投入到教学实践中。而在企业的生产实践中如果在设备引进中投入大量资金，将造成自身竞争优势的损失，因此高校与企业应当加大合作的深度与广度，实现优势互补，高校为企业提供人才与设备支持，企业则为高校提供资金补助，并为学生的实践提供空间与平台，企业与高校共同开发相关项目，提高3D打印技术研发的效率。
4.建设区域性的3D打印服务平台。为使企业与高校都能够加深对3D打印技术的理解，促进产学研模式的深入应用，政府应当参与到区域性的3D打印服务平台的建设中，积极引导高校与企业参与到相关研究中，政府应当对高校予以适当的补贴，鼓励高校引进不同类型的设备，建设区域化的服务体系，对3D打印研发进行专业化的运营，实现区域资源的共享，让更多的高校与企业有机会接触到3D打印技术。
四、结语
3D打印技术对未来机械制造业的发展有着重要的意义，高校在教育改革与建设中应当认识到这一发展趋势，在安排工业设计专业的课程时应当将3D打印相关的内容纳入其中，从而提高学生的理论素质与实践能力，促进产学研模式的进一步发展，高校应当与企业展开深入合作，促进工业制造业、高校与人才的共同发展。
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