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3D打印在UG软件课程中的应用

发布时间:2018-11-27 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印在UG软件课程中的应用作者: 张文平 周倩   摘要:3D打印是基于离散、堆积原理的一种崭新的加工方式,是信息技能、新材料技能与制造技能多学科融合发展的产物。目前,一些教育机构和组织已经起初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;教育技能;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设计课程也在不时地改革与发展。从首先的下令讲解式的教学,到后来的实例教学,再到现在的基于事务过程系统化的教学。从教与学两个主体的辩证关系起程,不时改进教学方法,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事务过程系统化教学中的实例,都是固定的操作步骤与下令,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,缺乏设计思绪的练习,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,重复改进创新设计对照困难。
  二、3D打印技能在教育中的应用
  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能,是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就能够打造出任意形状的先进制造技能。“3D打印”是通俗叫法,“3D打印”在工业领域叫“快速成型”,后来业内变成统一叫法即“增材制造”。3D打印技能在上世纪80年代后期源于美国,是近年来世界制造技能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打印技能迅速发展[1]。
  3D打印技能的突破性发展引起了教育事务者的关注,一些国家和组织也起初对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《地平线汇报》中将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技能清单,对3D打印做了较为详细的介绍,并认为该技能将会在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打印将不再不过一门先进制造技能的实训课程,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.课程改革思绪。基于事务过程系统化的教学思绪,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联合起来,使得先进制造技能的教学不连贯,出现了脱节现象。因此,有目的地指引学生实训,通过零件设计、成型加工和精度检测等环节,对3D打印与UG软件教学内容联合进行学习,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。修订旧的教学打算,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形成实物,学生根据实物模型对设计结果进行评价,提出改进设计的思绪,重新设计打印,直到做出适合设计要求的如意作品。课程教学组织流程如图1所示,在这个过程中,不但让学生掌握了软件操作下令、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,学生有相当直观的感受。教师最初采用一个实物进行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。教导学生进行3D打印机初始化、事务台调平预热、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事务台上,不发生翘曲变形。随着3D打印技能的不时发展,设备的操作越来越大略,比如最新的UP BOX 3D打印机就具备了事务台自动调平功能。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,提出改进设计的思绪,如果需要可重新打印,直到做出适合设计要求的如意作品。
  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比赛中都取得了较好的成绩,在2015年山东省职业院校技术大赛(高职组)“工业产品造型设计与快速成型”赛项中,笔者教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。经过数控技能、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事务过程的锻炼。
  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,因此对大略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,而这恰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:一种新兴的学习技能[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.
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