楊南粵， 周 敏， 李爭名

(廣東技術(shù)師范學院 工業(yè)中心，廣州 510665)

·實習與實訓·

基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設計實訓教學

楊南粵， 周 敏， 李爭名

(廣東技術(shù)師范學院 工業(yè)中心，廣州 510665)

在“中國制造2025”背景下，制造業(yè)對3D打印技術(shù)應用型人才需求非常龐大。從職業(yè)教育角度分析了目前3D打印技術(shù)應用于實踐教學存在的問題，針對這些問題提出將3D打印技術(shù)融入傳統(tǒng)制造類專業(yè)的實訓教學，讓學生在面向生產(chǎn)、面向制造的職業(yè)技能訓練中學習3D打印技術(shù)并應用于解決生產(chǎn)實際問題。以融入3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設計實訓教學為例闡述了上述方案的實施。實踐證明實訓與企業(yè)崗位需求相結(jié)合，對于培養(yǎng)具有3D打印技術(shù)又能應用于專業(yè)制造領域的復合型應用人才具有積極的作用。

3D打印技術(shù)； 產(chǎn)品開發(fā)； 模具設計； 實訓教學； 職業(yè)教育

0 引 言

3D打印技術(shù)作為一種先進的數(shù)字制造技術(shù)，被英國著名雜志《經(jīng)濟學人》稱為“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具”[1]。2015年國務院印發(fā)的《中國制造2025》中明確指出3D打印技術(shù)已成為我國加快實現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)手段。3D打印作為制造業(yè)有代表性的顛覆技術(shù)，在工業(yè)領域的廣泛應用一方面促進了先進制造業(yè)的快速發(fā)展，另一方面也使3D打印技術(shù)應用型人才匱乏的問題日益凸顯，特別是掌握3D打印技術(shù)又能應用于專業(yè)制造領域的復合型應用人才相當緊缺。以珠江三角洲地區(qū)制造業(yè)為例，目前珠三角地區(qū)是我國制造業(yè)的生產(chǎn)中心和消費中心，該地區(qū)的模具產(chǎn)業(yè)規(guī)模約占全國1/3左右[2]。而國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)在珠三角地區(qū)占據(jù)了80%的份額，主要分布在各種制造行業(yè)中，但相應的人才缺口較大，例如既懂3D打印技術(shù)又能應用于模具制造過程的復合型應用人才企業(yè)需求量很大，供不應求。

美國新媒體聯(lián)盟2014年發(fā)布的《地平線報告》對3D打印在教育領域的應用做了詳細的說明，指出3D打印能夠幫助學習者感受數(shù)據(jù)采集、物化設計等“制造性學習”過程[3]。3D打印技術(shù)在教育領域的應用，為職業(yè)教育帶來了變革性的影響，使職業(yè)教育既面臨前所未有的挑戰(zhàn)，同時也面臨新的發(fā)展機遇。3D打印技術(shù)不僅為職業(yè)教育帶來教育教學手段的變化，更帶來職業(yè)教育思維的變化。面對新一輪科技革命，職業(yè)教育如何適應新形勢新要求，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高培養(yǎng)質(zhì)量，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供強有力的人力資源支撐是一個值得思考的問題[4]。

1 3D打印技術(shù)應用于實踐教學存在的問題

(1) 缺乏基于3D打印技術(shù)教學思維的轉(zhuǎn)化。3D打印技術(shù)不僅為職業(yè)教育帶來教育教學手段的變化，更重要的是帶來職業(yè)教育思維的變化。職業(yè)院校的教師目前缺乏基于3D打印技術(shù)教學思維的轉(zhuǎn)化，沒有好好思考如何讓3D打印技術(shù)滲透、融合到教學中去，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，充分發(fā)揮3D打印主導的技術(shù)優(yōu)勢提高教學質(zhì)量。部分職業(yè)院校斥資購買3D打印機，然而卻沒有使機器真正投入使用，3D打印機使用效率低，純粹是擺設。有3D打印設備不代表有應用3D打印技術(shù)的意識，教師在課堂上仍然使用傳統(tǒng)的教學方式，如對模型的講解采用平面掛圖、教具模型，以及多媒體技術(shù)，卻沒有考慮使用3D打印技術(shù)。有些老師使用3D打印機打印教具輔助教學，但僅僅從“教”的角度出發(fā)，沒有從學生“學”的角度出發(fā)，沒有讓學生參與到3D打印過程中去實踐，去體驗，去探索，去反思，讓學生從3D打印這個實踐性非常強的活動中更好地掌握知識，提高專業(yè)技能。當然，這和3D打印設備價格貴，操作不便利，維護維修困難有關，這在一定程度上影響了3D打印技術(shù)的推廣應用。

(2) 缺乏與專業(yè)知識的緊密結(jié)合。很多職業(yè)院校知道3D打印技術(shù)，卻不知如何應用到專業(yè)中，如何與專業(yè)知識進行有機結(jié)合[5]。大部分實踐教學應用3D打印技術(shù)還停留在初級階段，主要向?qū)W生介紹3D打印技術(shù)的原理、特點、幾種主流3D打印方式(FDM，SLS，SLA，LOM)的成型方法、工藝特點等。學生進行的實踐主要是學習3D打印機的操作方法，能夠打印一些簡單的物體。而部分提高階段的教學，主要讓學生利用光學掃描儀對物體表面進行掃描，采集數(shù)據(jù)后通過逆向重建軟件獲得物體的三維模型，然后使用3D打印機實現(xiàn)物體的快速制造[6]。這些應用3D打印技術(shù)的實踐教學總體來說比較側(cè)重于讓學生了解、學習先進制造技術(shù)的操作方法與步驟，而與專業(yè)知識的結(jié)合還不夠緊密。能將3D打印技術(shù)融入機械零件設計、模具制造、服飾珠寶、汽車維修與保養(yǎng)等專業(yè)實踐教學[7-9]，使3D打印技術(shù)與專業(yè)知識相結(jié)合，提高學生專業(yè)技能，優(yōu)化教學效果的實踐課程相對來說還比較少。

(3) 缺乏與崗位需求的深度對接。職業(yè)教育的目的是滿足工作崗位的客觀需要，教師應以職業(yè)崗位需求作為導向，以勝任崗位要求作為出發(fā)點進行對應課程的開發(fā)研究[10]，培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的人才。但目前應用3D打印技術(shù)的實踐課程缺乏與崗位需求的深度對接。國家制造業(yè)信息化培訓中心辦主任魯君尚認為高校和職業(yè)院校的3D教育與企業(yè)應用需求有差距。一些職業(yè)院校開展3D打印技術(shù)的實驗實訓課程，其目的是介紹和推廣這項新技術(shù)，還談不上與崗位需求接軌。另外一些職業(yè)院校雖然在實踐教學中應用3D打印技術(shù)，并將3D打印技術(shù)與專業(yè)知識進行一定程度的結(jié)合，主要為了拓寬學生視野，提高學生的動手能力，豐富教學內(nèi)容，改善教學質(zhì)量，卻與企業(yè)崗位需求聯(lián)系不密切。教師沒有對使用先進制造技術(shù)的企業(yè)作深入的調(diào)研，了解其技術(shù)崗位，管理崗位對人才的要求，因此無法設計和開發(fā)出面向企業(yè)需求的3D打印技術(shù)實訓內(nèi)容和項目。

2 3D打印實訓教學

針對上述問題，結(jié)合當前3D打印技術(shù)人才需求狀況，我們將3D打印技術(shù)融入傳統(tǒng)制造類專業(yè)(如機械制造與自動化、模具設計與制造、汽車制造與裝配技術(shù)等)的實訓教學環(huán)節(jié)，使3D打印技術(shù)與項目實訓內(nèi)容有機結(jié)合，讓學生在面向生產(chǎn)，面向制造的職業(yè)技能訓練中學習3D打印技術(shù)，并能應用于解決生產(chǎn)實際問題。教師設計和開發(fā)面向企業(yè)崗位需求的實訓項目，使之具有創(chuàng)新性及應用前景，引導學生在學習過程中探索如何應用3D打印技術(shù)去解決生產(chǎn)制造過程中的一些實際問題，達到學以致用。傳統(tǒng)制造類專業(yè)的學生一般都具有智能數(shù)字化設計基礎，比較容易掌握3D打印操作。學生在融入3D打印技術(shù)的專業(yè)實訓中既掌握了3D打印技術(shù)又學會如何應用于專業(yè)制造領域。這種面向智造，面向企業(yè)需求的實訓培養(yǎng)出來的3D打印技術(shù)應用型人才在實際工作中能利用3D打印技術(shù)改善當前生產(chǎn)制造的某些問題，為企業(yè)創(chuàng)造收益[11]，真正實現(xiàn)3D打印技術(shù)與職業(yè)教育的融合。

快速成型技術(shù)在企業(yè)的應用越來越廣泛，特別是珠江三角洲現(xiàn)代模具企業(yè)普遍采用“模具數(shù)字建模設計與制造技術(shù)”，包括：產(chǎn)品造型數(shù)字化設計、模具數(shù)字化設計、模具成型零件數(shù)字化加工等先進技術(shù)。然而大部分模具企業(yè)中，技術(shù)人員分為產(chǎn)品造型設計人員和模具設計人員，產(chǎn)品設計和模具設計各自獨立，造成產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)設計不符合模具成型加工的工藝性，無法用模具實現(xiàn)批量生產(chǎn)。鑒于此，我們將3D打印技術(shù)應用于機電專業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設計實訓環(huán)節(jié)。該實訓與崗位需求相結(jié)合，立足于模具行業(yè)對人才的職業(yè)技能要求[12]，讓學生在面向生產(chǎn)與制造的職業(yè)技能訓練中掌握3D打印技術(shù)及其應用，懂得利用3D打印技術(shù)解決生產(chǎn)實際問題，實現(xiàn)3D打印技術(shù)人才需求與職業(yè)院校3D打印教育的無縫對接[5]。

工業(yè)領域和人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N塑料制品，如電器蓋、肥皂盒等是通過塑料模具制造出來的。對這些產(chǎn)品進行外形設計時必須考慮塑料零件的結(jié)構(gòu)工藝性，以保證順利成型。只有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計滿足成型工藝要求，才能設計出合理的模具結(jié)構(gòu)，進行批量生產(chǎn)。塑料零件的結(jié)構(gòu)設計中對壁厚、斜度、加強筋、支承面、圓角、孔等的設計要求有：在保證產(chǎn)品功能的前提下，零件的幾何形狀應盡可能使其對應的模具簡單，便于加工，因而內(nèi)外表面應盡量避免側(cè)孔、側(cè)凹或與零件脫模方向垂直的孔；薄殼狀零件可設計成球面或拱形曲面以便有效地增加剛性，減少變形；或在適當?shù)奈恢迷O置加強筋增加整體強度和剛度，防止變形。但加強筋的布置要均勻，以免引起應力變形；零件上兩個孔的間距或孔的邊距小于規(guī)定數(shù)值時，應將兩個孔聯(lián)通或采用凸邊予以加強……

產(chǎn)品的外觀設計是決定產(chǎn)品能否暢銷的因素之一。以非接觸式測溫儀(手持式紅外測溫儀)為例，其外形是像“槍”的“倒L形”，外殼零件主要有左外殼、右外殼、液晶屏保護窗、測量扳機等(如圖1)。為使測溫儀的外形受女性和兒童的歡迎，外殼可根據(jù)倒L形設計成海豚、史努比、喇叭等造型。另一方面，由于該外殼是塑料件，需要通過模具制造出來，因此設計人員進行外殼設計時既要注重產(chǎn)品的創(chuàng)意，也要考慮其結(jié)構(gòu)工藝性以滿足成型工藝要求。

圖1 非接觸式測溫儀

我校工業(yè)實訓中心擁有SLA(光固化快速成型)和FDM(熔融沉積成型)兩種類型的3D打印機。FDM成型機操作比較簡單，對導入的模型可以自動添加支撐，材料利用率高，因此本實訓主要使用這種3D打印機，如圖2所示。在實訓課上，首先讓學生按自己的創(chuàng)意及想法設計測溫儀外殼的外形，并手工繪制外殼草圖，然后通過3D造型軟件進行數(shù)字建模，再用3D打印機打印出來，如圖3喇叭型的外殼。由于有了實體模型，學生無論是自己還是與老師一起根據(jù)產(chǎn)品造型分析其結(jié)構(gòu)工藝性的設計都很方便、很直觀。將打印出來的3D模型與真實的測溫儀對比，可以看到左右外殼必須組裝在一起，因此需要在手柄部分設置連接孔，方便緊固連接。此外手柄上還需要有安裝測量扳機的孔。另一方面，喇叭形外殼上有弧形的部分是強度、剛性薄弱處，裝拆左右外殼時容易導致其開裂變形損壞，此處需要設置加強筋。學生在打印出來的3D測溫儀外殼基礎上，根據(jù)上述分析，按照塑料零件結(jié)構(gòu)工藝性要求對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀進行設計。

(a)左外殼(b)右外殼

圖2 FDM成型機 圖3 非接觸式測溫儀外殼模型

學生對模型進行結(jié)構(gòu)工藝性設計后再次打印出3D實體模型，如圖4所示，在外殼內(nèi)表面有弧度的地方添加肋板，增加零件的強度和剛度，防止變形。并且多個肋板分布均勻，防止引起應力變形。另外在外殼的手持部分添加了緊固連接孔和安裝孔。

學生按照零件結(jié)構(gòu)工藝性要求修改之前的設計并打印出3D實體模型后，教師通過實體模型能方便、快捷、精準地評判其是否符合模具成型加工的工藝性，再進行有針對性的指導，改進設計。譬如圖4外殼手持部分靠上的兩個安裝孔，一般是用模具的型芯成型，而此處兩個孔的間距小于規(guī)定的數(shù)值，將不利于成型和脫模，可將兩孔設計成聯(lián)通孔的結(jié)構(gòu)形式，利于零件成型。學生按教師提出的意見再次修改設計，重新打印出來的外殼如圖5所示。

整個實訓過程讓學生通過設計、3D打印、分析、修改、再3D打印、再分析、再修改……進行反復的實操，最終設計出合理和美觀的產(chǎn)品。學生通過這樣的實訓既掌握了3D打印技術(shù)又學會了如何應用于專業(yè)領域，解決實際問題。

3 結(jié) 語

3D打印技術(shù)融入產(chǎn)品開發(fā)與模具設計實訓具有如下優(yōu)勢：

圖4 修改后的外殼模型圖5 再次修改后的外殼模型

(1) 提高學生的工程實踐能力。3D打印是一個實踐性非常強的活動，美國“經(jīng)驗之塔”理論認為3D打印活動提供了豐富的“做的經(jīng)驗”，幫助學習者感受數(shù)據(jù)采集、物化設計等“制造性學習”過程[3，13]。在實訓中，3D打印使學生的設計想法快速實現(xiàn)可視化，在不用開模具的情況下制作出實體原型，學生通過實體原型容易發(fā)現(xiàn)不符合模具成型工藝性的設計并進行改進，由此掌握模具成型工藝特點對產(chǎn)品造型設計的要求[12]，設計出更好的產(chǎn)品。學生在職業(yè)技能訓練過程中一邊學習3D打印技術(shù)，一邊學習如何將其應用在相關制造領域，達到學以致用。這樣的實訓符合“從實踐中來，回到實踐中去”的原則，將極大激發(fā)學生的學習熱情和參與積極性，從而提高他們的工程實踐能力[14]。

(2) 增強學生的創(chuàng)新思維能力。在實訓中，學生通過3D實體模型能很方便、很直觀地與老師或同學一起根據(jù)產(chǎn)品的造型分析其結(jié)構(gòu)工藝性設計，從而優(yōu)化產(chǎn)品設計。學生由此懂得3D打印出來的實體原型能在產(chǎn)品設計與加工工藝之間搭建溝通的橋梁，減少產(chǎn)品設計討論過程中的溝通障礙，并增加產(chǎn)品可行性評估與驗證的可靠性。以后學生在實際工作中遇到類似的問題，可以觸類旁通，利用3D打印出來的實體模型與其他技術(shù)人員或客戶進行直觀的溝通，更快更好地解決問題。通過該實訓，學生掌握了如何使用 3D 打印技術(shù)來輔助產(chǎn)品開發(fā)、模具設計和工藝改進。這樣的實訓拓寬了學生解決問題的思路，提高了學生的創(chuàng)新思維能力，讓學生懂得靈活地把3D打印技術(shù)應用于實際生產(chǎn)和制造過程中的方方面面。

(3) 培養(yǎng)學生的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。融入3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設計實訓與專業(yè)課程緊密結(jié)合，面向企業(yè)崗位需求，有利于培養(yǎng)學生的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。學生在面向生產(chǎn)，面向制造的職業(yè)技能訓練中學習3D打印技術(shù)，是以解決行業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)或制造方面的問題為目的，在任務和問題驅(qū)動下進行“做中學”活動，具有較強的針對性，更能激發(fā)他們的探索欲望，提高學習的專注度，并在實踐中發(fā)揮創(chuàng)造力。學生通過實訓掌握3D打印技術(shù)并能應用于專業(yè)制造領域，在未來崗位工作中將能利用3D打印技術(shù)解決一些實際問題，進一步提高3D打印技術(shù)的應用水平。

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Practical Teaching of Product Development and Mold Design Based on 3D Printing Technology

YANG Nanyue, ZHOU Min, LI Zhengming

(Industrial Training Center, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

Under the background of “China manufacturing 2025”, the demand of manufacturing for the talent of 3D printing technology is very large. From the point of view of vocational education, this paper analyzes the existing problems of the application of 3D printing technology in practical teaching. Then the paper proposes integrating 3D printing technology into the traditional manufacturing professional practice teaching, which will let students learn 3D printing technology in vocational skills training processes. This could make students master the application of 3D printing technology and know how to solve practical problems in production. The product development and mold design practical teaching based on 3D printing technology is taken as an example. Practice proves that this practical teaching combines with enterprise post, and it plays an active role on cultivating 3D printing technology application-oriented talents.

3D printing technology; product development; mold design; practical teaching; vocational education

2016-10-25

2015年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類(教育科學研究)項目：3D打印技術(shù)在珠三角地區(qū)職業(yè)教育中的應用研究(2015GXJK079)

楊南粵(1977-)，女，廣東廣州人，碩士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)，職業(yè)教育。

Tel.：13380091123;E-mail:gsyny@gpnu.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)08-0243-04