3D CAD和3D打印在工程设计教育中的应用

周丽红，胡碧康

（武汉科技大学城市学院机电工程学部，武汉 430083）

文章编号：1007-1423（2018）27-0055-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2018.27.010

0 引言

最近，3D打印（3D Printing）技术逐渐引起人们的更多关注。3D打印过去曾被用作快速原型（Rapid Pro⁃totyping，RP），这是一种可以生成基于3D计算机辅助设计（CAD）形状信息的真实产品的技术。由于3D打印工艺的原始专利到期导致开源的普及，低价个人打印机的普及已经从现有的工业级打印机中扩散开来，并且改变工业生态系统的可能性一直在增加。最初的快速原型制造主要用于制造业，并逐渐用于创建可视化模型、原型制作、二次制造的主模型和功能组件。随着3D打印领域的扩展，现已经渗透到各种领域，例如医疗设备、设计和时尚等个性化产品。除了已知的3D CAD之外，3D打印还有助于提高学生的空间感知能力，因此，它不仅可以在工程教育方面取得各种成就，而且在吸引学生学习方面具有积极作用。

目前，3D CAD教育在机械工程领域不可或缺，与之相关的3D打印技术正在迅速引入。现有的CAD课程由3D CAD的理论授课和使用商业CAD软件的形状建模练习组成。在这项研究中，3D打印技术知识被添加到大一学生CAD应用程序的设计教育中。为此，我们增加了3D打印的理论与实践课程，在3D打印机上打印出学生设计的产品。基于这些知识，我们可以在三、四年级的综合设计课程中有效地利用3D CAD和3D打印。

1 在CAD课程中使用3D打印

1.1 CAD主题和设计任务概述

CAD是机械工程专业学生必修的课程。特别是随着3D CAD的普及，机械工程本科的CAD教育正在从传统的理论课程转变为使用CAD软件的实践形式，学生的成绩评价也从传统理论向设计项目转变。CAD设计课程通常以逆向工程的形式进行，其中CAD软件可用于测量现有产品的形状和尺寸并进行3D形状建模。在CAD应用程序过程中，CAD软件用于训练，并进行基本形状建模、自由曲面生成、装配建模和绘图生成技术。CAD设计任务旨在通过利用学生在课堂上学习的CAD能力，对实际产品进行形状建模，从而学习CAD实践。在设计任务中，由三到四名学生组成的团队负责该任务，通过报告和演示评估任务的完成情况来评估学习效果。在评估设计任务时，基于报告和表示数据对其进行评估，但会存在基于二维图来评估的局限。此外，学生在执行设计任务时必须专注于外形的建模，这可能会扭曲任务的初衷。这个问题通过让学生直接通过3D打印设计产品可以得到有效解决。

1.2 CAD设计任务流程

学生们按实际人数分成若干小组，小组之间相互竞争。该过程分为三个阶段：基本形状测量、三维形状建模和三维打印。在第一和第二阶段中，通过报告评估结果。

（1）逆向工程的形状测量

第一阶段，执行测量过程以提取角色的特征曲线。可使用不同方法进行特征曲线提取。可利用真实模型进行测量或从图片和动画图像中提取各种特征曲线，还可用3D扫描仪进行真实模型的扫描来获取图像。

在此阶段，根据学生的报告来进行评估，分配的分数为30%。每个团队提交一份报告，并从三个方面进行评估：形状测量过程的有效性，获得的特征曲线的完整性以及报告的质量。

（2）形状建模过程

第二阶段是使用第一阶段中创建的特征曲线进行形状建模。首先，通过使用各种方向和横截面的特征曲线来创建自由曲面，然后使用所生成的曲面完成三维形状。通过上述过程，对主要部位进行形状建模，该过程主要通过团队成员之间协作来完成。然后，用完成的3D模型通过虚拟组装的过程完成最终形状。

在此阶段，同样根据学生的报告进行评估，分配的分数也为30%。也是对三个方面进行评估：3D形状建模过程的有效性，最终完成的3D模型的完整性以及报告的质量。

（3）3D打印

第三阶段是用完成的CAD模型进行3D打印。将STL文件从CAD模型传输到3D打印机。指导学生调整分辨率，以便可以完全描述创建的表面。我们还增加了关于3D打印的理论授课，并在3D打印实验室开展实践课程。该实验室有12台桌面级熔融沉积（Fused Deposition Modeling，FDM）、一台工业级 FDM和一台光固化成形（Stereo lithography Apparatus，SLA）打印设备。学生们用这些设备打印自己创建的CAD模型，并直接参与后处理。

此阶段评估学生的最终表现和打印产品的完整性，分配的分数为40%。评估最终模型的完整性和准确性，演示材料和内容，打印产品的完整性，还包括学生的互评分数。

2 3D打印在一般设计课程中的应用

机械工程专业课程应该旨在通过实践培训课程培养创意机械系统设计师。我们应该不断摸索新的培训模式，使学生经过四年的培养生能够体验一系列的过程来规划、设计、生产和测试自己的工作，而不是考试和相互借鉴的毕业设计。

在综合设计过程中，设备对大多数工作至关重要。学校设有一个平台，供学生使用自由设计的各种加工设备，如车床、铣床和CNC雕刻机。通过这种方式，学生可以以简单的形式直接处理零件，但如果形状复杂，则加工有限，这通常取决于加工。为了解决这些问题，学生可以通过使用实验室中的3D打印机轻松制作复杂的三维形状器件，有些作品设计合理甚至可以一次打印成型，而不需要拼装。

图1显示的是举升机的3D打印应用示例。这一模型是通过3D打印将整个模型一次打印成形，可完全实现其举升功能。3D打印技术在设计课程中的引入，尤其对加工设备操作掌握不熟练的学生，这一举措无疑为这些学生带来福音。通过对形状复杂或难以直接处理的部件进行3D设计并进行3D打印，可以缩短制作作品所需的时间。

图1 3D打印举升机

备注：（a）打印成型俯视图；（b）打印成型侧视图；（c）举升机升到最大行程效果图；（d）举升机负重上升效果图。

除了一些设计课程，3D打印技术在大学生竞赛和创新创业方面也大有用武之地。图2为本校学生在全国3D大赛中的3D打印创新创意设计赛项中的获奖作品。这一结果说明本专业的学生除了机械产品，也能设计出非专业的创意十足的饰品。3D打印机可以实现将学生的设计想法有效地可视化，同时便于更早发现不足且方便修正，能更加有效地引导学生走向创新驱动的设计过程。

图2 饰品设计图及3D打印实物

备注：（a）和（c）饰品设计渲染图，（b）和（d）饰品3D打印实物图。

3 结语

在本科机械工程专业学生的设计教育中使用3D CAD和3D打印进行设计课程的研究中，其研究结果总结如下：（1）基础CAD课程包括现有CAD课程和关于3D打印技术的理论和实践课程，并指导学生在进行设计任务时直接将设计产品输出到3D打印机。（2）在一般设计课程中，学生能够通过3D打印技术对难以进行机械加工的复杂形状的产品进行打印成型而缩短生产过程。3D打印技术与3D CAD结合使用在工程设计教育课程中将提高学生对设计学科的满意度并能提高学生的学习兴趣。