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[摘 要] 目的：对三维打印技术在工业设计专业教学中的应用进行探讨。方法：研究三维打印技术的历史、发展及前景，研究三维打印技术的种类及应用，提出三维打印技术在工业设计专业教学中的可能性，通过教学实践，验证其可行性。结论：三维打印技术在工程制图、机械原理等产品工程基础课程，在模型制作课程、计算机辅助工业设计课程、产品设计课程、毕业设计等课程中均可发挥效用，提高教学效率和教学效果，并使学生掌握工业设计新的技能与手段。
[关 键 词] 三维打印；工业设计；教学
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）10-0094-04
三维打印（3D Printing）的技术名称是“增材制造（Additive Manufacturing，AM）”，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、液态或者粉末状树脂，通过逐层粘合固化的方式来构造物体的技术。三维打印技术被广泛应用在国防、航空航天、医疗、加工制造、工业设计、艺术设计与教学等各个领域[1]。由于三维打印技术的突出优势，近年来发展迅速，已成为工业设计模型制作中的一项关键技术[2]。工业设计专业的主修课程有工程制图、工业设计工程基础、手绘技法、人机工程学、设计心理学、模型制作、计算机辅助工业设计、产品形态设计、工业设计方法学、产品设计、视觉传达设计、环境设计等[3]。这些课程的教学，有的需要使用教具或道具，有的需要制作实物模型。能否将三维打印技术运用到教学当中，从而提高教学效率和效果，并使学生掌握工业设计新的技能与手段，是广大设计学科教师需要考虑的事情。
一、三维打印技术简介
三维打印技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近二十年来，三维打印技术得到快速发展，“增材制造”“快速原型制造（Rapid Prototyping）”“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
三维打印技术诞生于20世纪80年代，三十年来三维打印技术快速发展，其原理结合不同的材料和实现工艺，形成了多类型的三维打印技术及设备。目前已有的设备种类多达20余种，在消费电子产品、航天航空、医疗、汽车、军工、地理信息及艺术设计等领域被大量应用[4]。主流的三维打印技术有熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus，SLA）、三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，SLS）等[5]。三维打印的材料也非常广泛，涉及热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末、几乎任何合金、可食用材料、液态树脂、金属线、塑料线、纸张、金属膜、塑料膜、石膏等。随着技术的发展，三维打印技术会越来越成熟、越来越先进，可用材料会越来越多。
三维打印技术具有以下优点：1.可实现传统加工工艺难以成型的形体，为设计提供新思路。2.适合小批量生产，节约模具成本、节省时间。3.可打印中空的模型，减轻产品重量。4.能够减少零部件，节约组装成本[6]。当然，三维打印技术并不能制造一切，有些东西它就造不出来，并且它不等于第四次工业革命，它只是推动第四次工业革命的技术之一。
二、三维打印技术在工业设计专业相关课程中的应用
（一）工程制图、机械原理等产品工程基础课程
工程制图、机械原理是产品设计专业工程基础课程的重要组成部分，其教学目的是培养学生的绘图与读图能力，使其掌握机构学和动力学的基本理论、基本知识和基本技能，并初步具有确定机械运动方案，分析和设计机构的能力[7]。这部分内容较为抽象，需要一定的空间想象力、逻辑思维能力，为了较好地达到教学目标，教师通常使用作图工具类、挂图类、模型类、多媒体类等教具，其中模型类教具直观性强，可引起学生的学习兴趣[8]。
工程制图——传统的工程制图教具通常由木材、金属制成，学校在采购时通常是成批购买，很多教具不一定用得上，有一些特殊模型还往往没有。因为该教具不是大批量的消费品，因此成本较高、可选择性较小。可以根据课程需要，利用三维打印机制作基本几何体、组合体，帮助学生理解视图、相贯线等概念。打印剖切模型，有助于学生理解剖视图的概念及其绘制。打印非常用零件，有助于学生理解零件图的绘制。桌面型三维打印机打印成本较低，打印中空的小规格教具，成本可以得到有效控制。图1、图2为采用桌面型三维打印机制作工程制图课教具。
机械原理——利用三维打印机制作相关机构模型，比如连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、蜗轮蜗杆机构。建立好机构模型，输出到三维打印机打印出来，可打印较仿真的机构，比传统的ABS板、或者PMMA板制作的板式教具真实感更强。
（二）模型制作课程
产品设计专业的模型制作课程涉及的材料按形式分有线材、板材、块材。
板材包含了ABS、PMMA板材的热成型，这类模型的制作通常需要制作模具。传统的模具是木模，模具可由手工或者CNC加工，前者依赖制作者的技艺，精度难以保证；后者虽然精度较高，但经济成本较高。有了三维打印后，可以在计算机里建立三维模型，然后快速地将模具打印出来，对打印后的模具作一定处理，就可以用于板材的热成型。三维打印技术实现了模型制作新的工艺，是对传统工艺的一种有益补充。
块材模型含有石膏模型、硅胶模型等。这类模型的制作首先需要制作阳模，由阳模翻制出石膏或者硅胶阴模，再由阴模翻制出最后的模型。可以用三维打印机打印出阳模，ABS或者PLA的打印材料足以满足石膏或者硅胶模型翻制的强度要求。可以打印多件阳模，再用于翻制模型，实现小批量生产。图3、图4、图5、图6为模型制作课程中，利用计算机建立三维模型，由桌面型三维打印机打印出PLA阳模，再由PLA阳模翻制出石膏阴模，最后由石膏阴模翻制出硅胶模型。 （三）计算机辅助工业设计课程
计算机辅助工业设计（Computer-Aided Industrial Design）课程涉及的三维软件主要有Rhino、Alias、Solidworks、Pro/E、UG等。利用软件，可以建立产品的数字模型，用于造型设计、结构设计、仿真运动及分析等。软件的功能固然很强大，但无法替代实物模型的作用，并且深入学习软件需要较大的时间成本。实物模型具有可视化、可感知、真实感等特性，在验证设计方案合理性时具有不可替代的作用，有助于即时调整方案、进行优化设计[9]。三维打印技术可以快速地建立产品原型，从而在产品开发时减少时间及经济成本。图7、图8、图9为计算机辅助工业设计课程中，在三维软件中建立建筑模型，由光固化（SLA）三维打印机打印出高精度模型，最后进行打磨、电镀等表面处理。
（四）产品设计课程
产品设计课程通常会涉及产品设计的一般性流程，任课老师都会让学生按照流程“走”一遍。随着时代的发展，产品设计的流程也在发生着改变，由原先从概念到产品的单一流程，演变为迭代开发的过程。近几年，三维打印技术的突飞猛进，以及在企业实际流程中发挥着越来越重要的作用，在课程中如何发挥三维打印的作用，与设计流程紧密结合并且推动设计发展，便是任课老师需要思考的问题。
西门子公司在提倡“数字化工厂——从虚拟演进到现实”的概念，实际上是要将数字化用于产品设计、工艺设计、生产制造和服务维护各个流程中，并且指出了该流程是迭代上升的流程。公司探究了三维打印在各个流程中发挥的作用，并给出了“数字化工厂”带来的综合效益：1.新机器的开发时间缩短了70%。2.从概念产生到画出制造图纸只需以往系统1/6的时间。3.用虚拟样机代替了物理样机。4.产品上市时间缩短了33%。5.制造成本减少了20%。6.返工率从20%降到了2%。其中，三维打印技术步伐完整参与到“数字化工厂”这一开发流程中。
从企业的实践经验中，课程设计也应该跟上时代步伐，并且努力尝试，积极发挥三维打印在整个流程中的作用，完善设计流程。
（五）毕业设计课程
毕业设计是检验学生对专业知识掌握情况的重要环节，也是考查学生解决实际问题能力的手段，是对学生所学知识的总结，是衡量学校教学水平和学生综合素质的体现[10]。学生通过市场调研、手绘、草模、计算机模型、高保真模型、人机分析等工具与手段进行创造与探讨。三维打印技术的推广与普及，使得学生在创意阶段可以把模型快速打印出来，检验方案的合理性，并及时做出调整。并且三维打印机可以用于制作最终展示模型，图16、图17、图18、图19为学生利用桌面型三维打印机将毕业设计作品零部件打印出来，然后打磨、喷漆和拼装成最终的模型。模型精度及表面效果足以满足模型展示的需求。在毕业设计中，如果对三维打印技术的特性加以巧妙利用，可以创作出利用传统工业手段难以加工的作品。
三维打印技术在工业设计专业众多课程的教学中可以发挥作用，成为一种新的教学手段，也是一种新的设计工具与手段。三维打印技术日新月异，必将越来越普及和易用，利用新技术提高教学效率和效果，改善设计流程，是工业设计专业教师值得研究的一个方向。
参考文献：
[1]景仲龙.浅谈三维打印技术在当代艺术设计领域的应用[J].中国包装，2014（8）：38-40.
[2]吴慧兰.三维打印技术在工业设计模型制作中的应用研究[J] .设计，2012（2）：28-29.
[3]王秋惠.对设计艺术学工业设计专业课程设置问题的探讨[J] .北京理工大学学报（社会科学版），2009，11（4）：88-90，101.
[4]叶小峰.3D打印在艺术设计实验教学中的探索[J].艺术科技，2015（3）：28，49，135.
[5]张莹.谈3D打印的发展和工业设计的关系[J].天津美术学院学报，2013（2）：86-87.
[6]乔益民，王家民. 3D 打印技术在包装容器成型中的应用[J].包装工程，2012，33（22）：68-71.
[7]张一. 艺术类工业设计专业“机械原理”课程教学新探索[D].上海：东华大学，2009.
[8]姚卫华，王见华.浅谈各类教具在机械制图课程教学中的应用[J].课程教育研究（新教师教学），2013（35）：297.
[9]俞英.产品设计模型表现[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[10]吴凤颖.工业设计专业毕业设计的教学改革初探[J] .工业设计，2014（8）：66-68.
[关 键 词] 三维打印；工业设计；教学
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）10-0094-04
三维打印（3D Printing）的技术名称是“增材制造（Additive Manufacturing，AM）”，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、液态或者粉末状树脂，通过逐层粘合固化的方式来构造物体的技术。三维打印技术被广泛应用在国防、航空航天、医疗、加工制造、工业设计、艺术设计与教学等各个领域[1]。由于三维打印技术的突出优势，近年来发展迅速，已成为工业设计模型制作中的一项关键技术[2]。工业设计专业的主修课程有工程制图、工业设计工程基础、手绘技法、人机工程学、设计心理学、模型制作、计算机辅助工业设计、产品形态设计、工业设计方法学、产品设计、视觉传达设计、环境设计等[3]。这些课程的教学，有的需要使用教具或道具，有的需要制作实物模型。能否将三维打印技术运用到教学当中，从而提高教学效率和效果，并使学生掌握工业设计新的技能与手段，是广大设计学科教师需要考虑的事情。
一、三维打印技术简介
三维打印技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近二十年来，三维打印技术得到快速发展，“增材制造”“快速原型制造（Rapid Prototyping）”“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
三维打印技术诞生于20世纪80年代，三十年来三维打印技术快速发展，其原理结合不同的材料和实现工艺，形成了多类型的三维打印技术及设备。目前已有的设备种类多达20余种，在消费电子产品、航天航空、医疗、汽车、军工、地理信息及艺术设计等领域被大量应用[4]。主流的三维打印技术有熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus，SLA）、三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，SLS）等[5]。三维打印的材料也非常广泛，涉及热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末、几乎任何合金、可食用材料、液态树脂、金属线、塑料线、纸张、金属膜、塑料膜、石膏等。随着技术的发展，三维打印技术会越来越成熟、越来越先进，可用材料会越来越多。
三维打印技术具有以下优点：1.可实现传统加工工艺难以成型的形体，为设计提供新思路。2.适合小批量生产，节约模具成本、节省时间。3.可打印中空的模型，减轻产品重量。4.能够减少零部件，节约组装成本[6]。当然，三维打印技术并不能制造一切，有些东西它就造不出来，并且它不等于第四次工业革命，它只是推动第四次工业革命的技术之一。
二、三维打印技术在工业设计专业相关课程中的应用
（一）工程制图、机械原理等产品工程基础课程
工程制图、机械原理是产品设计专业工程基础课程的重要组成部分，其教学目的是培养学生的绘图与读图能力，使其掌握机构学和动力学的基本理论、基本知识和基本技能，并初步具有确定机械运动方案，分析和设计机构的能力[7]。这部分内容较为抽象，需要一定的空间想象力、逻辑思维能力，为了较好地达到教学目标，教师通常使用作图工具类、挂图类、模型类、多媒体类等教具，其中模型类教具直观性强，可引起学生的学习兴趣[8]。
工程制图——传统的工程制图教具通常由木材、金属制成，学校在采购时通常是成批购买，很多教具不一定用得上，有一些特殊模型还往往没有。因为该教具不是大批量的消费品，因此成本较高、可选择性较小。可以根据课程需要，利用三维打印机制作基本几何体、组合体，帮助学生理解视图、相贯线等概念。打印剖切模型，有助于学生理解剖视图的概念及其绘制。打印非常用零件，有助于学生理解零件图的绘制。桌面型三维打印机打印成本较低，打印中空的小规格教具，成本可以得到有效控制。图1、图2为采用桌面型三维打印机制作工程制图课教具。
机械原理——利用三维打印机制作相关机构模型，比如连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、蜗轮蜗杆机构。建立好机构模型，输出到三维打印机打印出来，可打印较仿真的机构，比传统的ABS板、或者PMMA板制作的板式教具真实感更强。
（二）模型制作课程
产品设计专业的模型制作课程涉及的材料按形式分有线材、板材、块材。
板材包含了ABS、PMMA板材的热成型，这类模型的制作通常需要制作模具。传统的模具是木模，模具可由手工或者CNC加工，前者依赖制作者的技艺，精度难以保证；后者虽然精度较高，但经济成本较高。有了三维打印后，可以在计算机里建立三维模型，然后快速地将模具打印出来，对打印后的模具作一定处理，就可以用于板材的热成型。三维打印技术实现了模型制作新的工艺，是对传统工艺的一种有益补充。
块材模型含有石膏模型、硅胶模型等。这类模型的制作首先需要制作阳模，由阳模翻制出石膏或者硅胶阴模，再由阴模翻制出最后的模型。可以用三维打印机打印出阳模，ABS或者PLA的打印材料足以满足石膏或者硅胶模型翻制的强度要求。可以打印多件阳模，再用于翻制模型，实现小批量生产。图3、图4、图5、图6为模型制作课程中，利用计算机建立三维模型，由桌面型三维打印机打印出PLA阳模，再由PLA阳模翻制出石膏阴模，最后由石膏阴模翻制出硅胶模型。 （三）计算机辅助工业设计课程
计算机辅助工业设计（Computer-Aided Industrial Design）课程涉及的三维软件主要有Rhino、Alias、Solidworks、Pro/E、UG等。利用软件，可以建立产品的数字模型，用于造型设计、结构设计、仿真运动及分析等。软件的功能固然很强大，但无法替代实物模型的作用，并且深入学习软件需要较大的时间成本。实物模型具有可视化、可感知、真实感等特性，在验证设计方案合理性时具有不可替代的作用，有助于即时调整方案、进行优化设计[9]。三维打印技术可以快速地建立产品原型，从而在产品开发时减少时间及经济成本。图7、图8、图9为计算机辅助工业设计课程中，在三维软件中建立建筑模型，由光固化（SLA）三维打印机打印出高精度模型，最后进行打磨、电镀等表面处理。
（四）产品设计课程
产品设计课程通常会涉及产品设计的一般性流程，任课老师都会让学生按照流程“走”一遍。随着时代的发展，产品设计的流程也在发生着改变，由原先从概念到产品的单一流程，演变为迭代开发的过程。近几年，三维打印技术的突飞猛进，以及在企业实际流程中发挥着越来越重要的作用，在课程中如何发挥三维打印的作用，与设计流程紧密结合并且推动设计发展，便是任课老师需要思考的问题。
西门子公司在提倡“数字化工厂——从虚拟演进到现实”的概念，实际上是要将数字化用于产品设计、工艺设计、生产制造和服务维护各个流程中，并且指出了该流程是迭代上升的流程。公司探究了三维打印在各个流程中发挥的作用，并给出了“数字化工厂”带来的综合效益：1.新机器的开发时间缩短了70%。2.从概念产生到画出制造图纸只需以往系统1/6的时间。3.用虚拟样机代替了物理样机。4.产品上市时间缩短了33%。5.制造成本减少了20%。6.返工率从20%降到了2%。其中，三维打印技术步伐完整参与到“数字化工厂”这一开发流程中。
从企业的实践经验中，课程设计也应该跟上时代步伐，并且努力尝试，积极发挥三维打印在整个流程中的作用，完善设计流程。
（五）毕业设计课程
毕业设计是检验学生对专业知识掌握情况的重要环节，也是考查学生解决实际问题能力的手段，是对学生所学知识的总结，是衡量学校教学水平和学生综合素质的体现[10]。学生通过市场调研、手绘、草模、计算机模型、高保真模型、人机分析等工具与手段进行创造与探讨。三维打印技术的推广与普及，使得学生在创意阶段可以把模型快速打印出来，检验方案的合理性，并及时做出调整。并且三维打印机可以用于制作最终展示模型，图16、图17、图18、图19为学生利用桌面型三维打印机将毕业设计作品零部件打印出来，然后打磨、喷漆和拼装成最终的模型。模型精度及表面效果足以满足模型展示的需求。在毕业设计中，如果对三维打印技术的特性加以巧妙利用，可以创作出利用传统工业手段难以加工的作品。
三维打印技术在工业设计专业众多课程的教学中可以发挥作用，成为一种新的教学手段，也是一种新的设计工具与手段。三维打印技术日新月异，必将越来越普及和易用，利用新技术提高教学效率和效果，改善设计流程，是工业设计专业教师值得研究的一个方向。
参考文献：
[1]景仲龙.浅谈三维打印技术在当代艺术设计领域的应用[J].中国包装，2014（8）：38-40.
[2]吴慧兰.三维打印技术在工业设计模型制作中的应用研究[J] .设计，2012（2）：28-29.
[3]王秋惠.对设计艺术学工业设计专业课程设置问题的探讨[J] .北京理工大学学报（社会科学版），2009，11（4）：88-90，101.
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[5]张莹.谈3D打印的发展和工业设计的关系[J].天津美术学院学报，2013（2）：86-87.
[6]乔益民，王家民. 3D 打印技术在包装容器成型中的应用[J].包装工程，2012，33（22）：68-71.
[7]张一. 艺术类工业设计专业“机械原理”课程教学新探索[D].上海：东华大学，2009.
[8]姚卫华，王见华.浅谈各类教具在机械制图课程教学中的应用[J].课程教育研究（新教师教学），2013（35）：297.
[9]俞英.产品设计模型表现[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[10]吴凤颖.工业设计专业毕业设计的教学改革初探[J] .工业设计，2014（8）：66-68.