胡彦萍，刘兴亮，刘传成，王建儒
(兰州石化职业技术大学 机械工程学院 甘肃 兰州 730060)
随着三维扫描仪和3D打印机在各大高校的普及，学校很多专业都开设了创新设计和3D打印这门课，不管是以选修课的形式开设课程，还是以拔尖人才培养的形式学习，都有不少学生愿意主动接触学习这方面知识。我校针对此内容，开设了增材制造技术实训课程，包括数据采集、逆向设计、正向设计、3D打印4个模块，学生在课上可以学习到3D扫描仪和3D打印机操作方面的知识，也可以有选择地利用正向设计软件和逆向设计软件来创新设计产品，把自己的想法设计融入到作品中来，再用3D打印机打印出来，学生上课的兴趣得到了明显提升，课堂气氛也活跃了起来，教学效果非常好，本文以2022年冬奥会吉祥物冰墩墩为例，来介绍一下教学设计过程。
图1所示是冰墩墩模型，学生采用手持式三维激光扫描仪和配套处理软件来实现冰墩墩模型的三维数据采集与优化。由于冰墩墩模型局部区域是黑色的，扫描仪无法捕获这些黑色区域的表面数据特征，因此在扫描前需要对模型进行喷粉处理，使其变成白色。扫描时可以借助旋转台，将模型放在贴了标志点的旋转台上，使模型匀速旋转，这样扫描的时候扫描仪只需要稍微调整下角度就可以了。经过至少2次变换角度的扫描后，将多次扫描的数据进行拟合拼接，然后再进行简单的数据处理，提高面片的品质，完成后如图2所示，最后将此模型保存成stl文件，至此数据采集处理过程就完成了。这个模块的学习目的是让学生利用一种数据采集设备和软件学习对于复杂表面点云的准确获取方法。
图1 冰墩墩模型 图2 扫描处理完成后的模型
将数据采集处理完成的stl文件导入Geomagic Design X逆向工程软件中，进行坐标对齐后，然后手动领域划分，如图3所示。借助面片拟合和放样、剪切、延长曲面等命令重构冰墩墩的曲面模型(图4)，然后缝合成实体模型(图5)。建模完成后，还需要进行建模质量分析，图6是逆向建模后的精度分析图，绿色代表精度在允 许的公差范围内，图7是斑马纹分析图，纹路看起来平滑连续就表示曲率连续。至此冰墩墩的模型重构完成。这个模块的学习目的主要是让学生利用逆向建模软件掌握数模合理还原的能力。
图3 手动领域划分 图4 逆向建模后的曲面模型
图7 斑马纹分析图
打印前需要用打印机配套的切片软件对模型进行打印参数设置和分层切片，这里采用基于FDM技术原理的Einstart-S桌面3D打印机，切片软件是3dStar软件。将冰墩墩的stl文件加载进切片软件中(图8)，首先缩放至合适的比例，旋转模型使高度方向为站立的方向，移动到平台中心位置，然后将打印精度设置为0.1mm，设置外支撑，最后生成打印 路径，如图9所示，导出切片文件至打印机准备打印。打印完成后(图10)需要手动去除支撑，用工具将支撑都去除后，冰墩墩作品就完成了，如图11所示。后续还可以对冰墩墩进行打磨和上色处理。这个模块主要是让学生掌握增材制造工艺应用、3D打印设备操作、3D 打印样件后处理的能力。
图8 模型加载进切片软件 图9 打印路径生成后的模型与支撑
图10 打印完成后的模型 图11 最终完成的作品
这个模块是让学生根据重构的冰墩墩数字化模型，结合机械设计等相关知识，任选一个三维设计软件设计冰墩墩的放置底座，要满足人性化、美观性、合理性、工艺性、经济性等要求。图12所示为学生创新设计的冰墩墩底座。完成后可以打印出来，也可以用数控机床加工出来，进行装配验证。这个模块主要是让学生掌握结构优化、功能创新的设计能力和专业交流表达能力。
图12 冰墩墩底座装配图
本文以冰墩墩为例介绍了增材制造技术课程的教学过程，这同时也是工业产品设计的一般过程，它将数据采集、逆向建模、创新设计和增材制造相融合，实现复杂曲面的工业产品的建模、创新与制造[1]，能大大提升学生的上课兴趣，同时对于学生的创新思维、创新意识和创新能力的培养具有很大帮助。
通过实践教学让学生体验了数字化、智能化的产品开发和创新设计的真实工作过程，不但可以培养学生工业设计的工程实践能力、创新能力，还能提升学生职业素养和就业能力，推动工业设计、数字化设计与制造等专业人才培养模式与课程体系改革，提高专业建设水平，提升学生从事工业设计相关岗位的适岗性，也有利于选拔出具有大国工匠素质的技术技能人才[2]。
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