章偉+周萍+羅茂元

摘 要

為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，了解和掌握先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，基于各高校3D打印實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建了一個(gè)符合學(xué)生和高校特征的跨院校、區(qū)域型3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)，闡述了它的體系結(jié)構(gòu)、工作流程和功能設(shè)計(jì)。該平臺(tái)可供校內(nèi)外師生和社會(huì)用戶進(jìn)行物品的設(shè)計(jì)和3D打印成型，為所有使用者提供了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的3D打印技術(shù)交流與加工制造平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】3D打印 網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái) 高校 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3D打印是一種新型的增材制造快速成型技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬、塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體。3D打印大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度，在工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)、建筑、醫(yī)學(xué)、航空航天、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)必將引領(lǐng)人類(lèi)未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展方向，其軟件將逐步代替制模機(jī)、機(jī)床、刀頭、沖壓機(jī)等傳統(tǒng)制造工具主導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，具有劃時(shí)代的重要意義。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用日益受到研究者的關(guān)注，一些國(guó)家和組織也開(kāi)始對(duì)3D打印的教育應(yīng)用進(jìn)行研究。新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium， NMC）連續(xù)三年在地平線報(bào)告中提出，3D打印是未來(lái)五年最值得關(guān)注的新技術(shù)，將帶來(lái)教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)教育創(chuàng)新，拓展基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)形式，如何實(shí)現(xiàn)舊教育模式向新的開(kāi)放型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，如何有效地將3D打印應(yīng)用到高校教育領(lǐng)域，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)、掌握新技術(shù)的新時(shí)代技術(shù)型人材，是值得高校教育工作者不斷探索和實(shí)踐的課題。

3D打印技術(shù)不僅會(huì)給制造業(yè)帶來(lái)革命性的變化，同樣對(duì)教育觀念和教育模式也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在大學(xué)校園內(nèi)建設(shè)3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，設(shè)立3D打印實(shí)訓(xùn)課程，建立一個(gè)基于高校3D打印實(shí)驗(yàn)設(shè)備的3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)，為師生們提供了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的、跨高校跨地域的資源共享和技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，一方面能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，幫助學(xué)生了解和掌握先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，另一方面也能推動(dòng)3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本文提出了一個(gè)基于各校3D打印實(shí)驗(yàn)室的跨院校、區(qū)域型的3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)，闡述了它的體系結(jié)構(gòu)、工作流程和功能設(shè)計(jì)。社會(huì)用戶和校內(nèi)外師生可以通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行物品的設(shè)計(jì)和3D打印。所有使用者只要在瀏覽器上打入該平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)地址，就可以進(jìn)入平臺(tái)首頁(yè)。它實(shí)質(zhì)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的3D打印技術(shù)交流與加工制造平臺(tái)。

1 3D打印

1.1 3D打印的工作原理

3D打印的基本原理是分層打印、疊加成形，即將打印材料逐片打印出來(lái)，邊打印邊疊加，最后“打印”出一個(gè)立體成品。利用3D打印技術(shù)得到的成品精確度較高，即使是中低精度的3D打印機(jī)型號(hào)，也能打印出精確的成品，比起鑄造、沖壓、蝕刻、模具等傳統(tǒng)方法能更快速地生成原型，特別是對(duì)于傳統(tǒng)方法難以制作的特殊結(jié)構(gòu)模型。

1.2 3D打印的工作過(guò)程

1.2.1 建模

利用3D打印技術(shù)打印成品前，需要先利用CAD設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出成品的三維模型，所以3D打印成型的第一個(gè)環(huán)節(jié)是建立三維模型。3D打印所用的CAD設(shè)計(jì)軟件有UG、Pro/E、SolidWorks等。也可以通過(guò)逆向建模設(shè)計(jì)出三維模型。

1.2.2 分層

分層是把三維模型輸入到電腦，由3D打印機(jī)配備的專(zhuān)業(yè)軟件CubeX進(jìn)行處理，生成二維圖形模型的過(guò)程。有了三維模型后，并不能直接輸入3D打印機(jī)進(jìn)行打印，還需要進(jìn)行分層切片處理，即將三維模型切成一層一層的薄片，每個(gè)薄片可以設(shè)置的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。

1.2.3 成型

以熔融沉積成型3D打印機(jī)為例。噴嘴在打印機(jī)的分層模型信息和控制信息的作用下，進(jìn)行零件堆砌，送絲機(jī)構(gòu)把絲狀熱塑性材料送進(jìn)熱熔噴頭加熱熔化，再由噴嘴將材料以一定壓力噴擠出來(lái)，同時(shí)噴頭沿水平方向移動(dòng)。一層打印完成后，升降系統(tǒng)移動(dòng)到下一層，繼續(xù)打印接下來(lái)的新薄層。這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，薄層層層堆積，緊密粘合，從下而上逐漸形成一個(gè)完整的三維實(shí)體成品。

1.2.4 后期處理

打印完成后，有可能會(huì)進(jìn)行后期處理，包括對(duì)部分精確度要求較高的成品的表面處理，彎曲部分、凹凸部分的光滑度處理，去除支撐材料等。

2 3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)

2.1 背景

3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)前所未有的競(jìng)爭(zhēng)壓力，尤其沖擊了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、機(jī)械制造、成型裝備，導(dǎo)致了個(gè)性化設(shè)計(jì)成為可能。在信息化、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的大背景下，隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)作為滿足用戶個(gè)性化需求、提供多元化3D打印產(chǎn)業(yè)服務(wù)的網(wǎng)上平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，3D打印技術(shù)還沒(méi)有廣泛進(jìn)入大學(xué)校園，國(guó)內(nèi)高校在一些工科專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置中，對(duì)3D打印技術(shù)課程設(shè)置較少，學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印也只是憑借自己的課余愛(ài)好進(jìn)行嘗試性設(shè)計(jì)和打印。因此，應(yīng)加強(qiáng)在高校各專(zhuān)業(yè)中的3D打印技術(shù)的教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)大多數(shù)制造廠家還沒(méi)有引入“個(gè)性化設(shè)計(jì)”、“數(shù)字化設(shè)計(jì)”、“大量定制加工”等先進(jìn)生產(chǎn)觀念，沒(méi)有意識(shí)到3D打印這種新興技術(shù)所具有的巨大優(yōu)勢(shì)。廠家采購(gòu)3D打印設(shè)備的數(shù)量很少，也沒(méi)有將3D打印技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)中。

對(duì)于已經(jīng)引入3D打印機(jī)的高校，可以在各門(mén)設(shè)計(jì)類(lèi)、制造類(lèi)課程以及工程訓(xùn)練中增加3D打印的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)內(nèi)容，使3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。并且，可以將3D打印實(shí)驗(yàn)室面向全校學(xué)生開(kāi)放，并配以實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)教師，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間、空間、服務(wù)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的開(kāi)放。此外，高校還可以加入3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)，組織師生成立3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)工作室，從3D打印網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)上承接個(gè)性化設(shè)計(jì)工作單、3D打印成品定制單，達(dá)到高校服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的作用，同時(shí)，又能使學(xué)生接觸到形形色色的個(gè)性化設(shè)計(jì)模型和成品，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，盡早地接觸到企業(yè)、行業(yè)和社會(huì)。endprint

2.2 平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的高校3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)的服務(wù)模式是，由擁有打印設(shè)備和技術(shù)能力的高校創(chuàng)建承辦3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)并在互聯(lián)網(wǎng)上推廣，其他高校可以加入該平臺(tái)。用戶將需要打印的三維模型圖提交給平臺(tái)打印并支付一定費(fèi)用，高校負(fù)責(zé)維護(hù)平臺(tái)的師生將該工作單下發(fā)給相應(yīng)工作室，工作室打印完成后快遞或送貨上門(mén)。

對(duì)于零基礎(chǔ)的用戶來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗麄儾粫?huì)繪制三維模型圖，他們可以在平臺(tái)上與設(shè)計(jì)人員溝通或咨詢專(zhuān)家服務(wù)，提出詳細(xì)的設(shè)計(jì)要求，將實(shí)物的尺寸和外形提供給設(shè)計(jì)人員，可能還會(huì)提供一些原始素材，比如自己手繪草圖、小零件物品的照片，由設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)、確定成品的模型，繪制出三維建模圖，再由用戶提交給服務(wù)平臺(tái)打印。

3 平臺(tái)工作流程

如圖1所示，3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)的詳細(xì)工作流程如下：

（1）用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入平臺(tái)，實(shí)名注冊(cè)后登錄，沒(méi)有注冊(cè)的用戶可以瀏覽平臺(tái)各部分內(nèi)容但不能下單定制打印。

（2）用戶提交需要打印的三維模型圖或設(shè)計(jì)要求，并預(yù)付一定費(fèi)用，然后平臺(tái)生成定制工作單，加入到打印任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。高校的教師或?qū)W生登錄進(jìn)入平臺(tái)，從打印任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇定制工作單，蓋戳表示自己已接單。如果用戶提出的是設(shè)計(jì)要求，則制作人（即接單者）先設(shè)計(jì)生成三維模型圖，如果用戶直接提供了模型圖則可略去這一步。制作人將三維模型提交到平臺(tái)進(jìn)行審核，如果審核通過(guò)則進(jìn)入下一步，否則修改模型直到審核通過(guò)。直到最后審核都未通過(guò)的模型不會(huì)打印但可以進(jìn)入展示區(qū)域進(jìn)行展示，并退費(fèi)給用戶。

（3）接單者啟用3D打印設(shè)備選擇器和3D打印材料選擇器，根據(jù)用戶要求或者和用戶一起選擇最適當(dāng)?shù)?D打印設(shè)備和耗材，計(jì)算出打印費(fèi)用，發(fā)送消息通知用戶付費(fèi)。

（4）用戶付費(fèi)后，制作人開(kāi)始進(jìn)行3D打印。打印過(guò)程中制作人將打印過(guò)程進(jìn)度存入進(jìn)度管理模塊，以供用戶查詢打印進(jìn)度。

（5）對(duì)于某些過(guò)于復(fù)雜的打印任務(wù)，如果本校不具備此工藝能力或不能及時(shí)完成，可以向與高校合作的校外3D打印中心聯(lián)系，以獲得他們的支持。

4 平臺(tái)功能分析

根據(jù)平臺(tái)的具體工作流程，平臺(tái)系統(tǒng)的功能可以劃分為用戶管理、制造管理、服務(wù)系統(tǒng)工具集、技術(shù)交流中心、學(xué)習(xí)中心五個(gè)部分。

4.1 用戶管理

主要包括平臺(tái)信息管理、打印設(shè)備管理、用戶信息管理、高校信息管理和校外合作3D打印中心信息管理。3D打印制作者的信息可以在平臺(tái)信息管理模塊中查詢，打印設(shè)備、打印材料及其它硬件設(shè)施可以在打印設(shè)備管理中查詢，用戶的信息可以在用戶信息管理中查詢。用戶還可以查詢到高校和校外合作3D打印中心的各方面信息。

4.2 制造管理

這個(gè)模塊包括制造任務(wù)管理和制造過(guò)程管理。制造任務(wù)管理主要是管理打印任務(wù)的登記、查詢、修改、設(shè)計(jì)模型審核等。制造過(guò)程管理是監(jiān)控加工過(guò)程，供用戶進(jìn)行打印進(jìn)度查詢。

4.3 服務(wù)系統(tǒng)工具集

包括在線設(shè)計(jì)工具、在線動(dòng)態(tài)預(yù)覽、3D打印材料選擇器、3D打印設(shè)備選擇器。對(duì)于沒(méi)有三維模型設(shè)計(jì)能力的學(xué)習(xí)者，平臺(tái)提供了在線設(shè)計(jì)工具，工具里加載了預(yù)設(shè)計(jì)的特征資源庫(kù)、常用塊和子塊庫(kù)，為學(xué)習(xí)者提供基于預(yù)定義智能特征集成建模的二次創(chuàng)意設(shè)計(jì)支撐。3D打印材料選擇工具是一個(gè)軟件工具，幫助用戶通過(guò)精度、光滑度、強(qiáng)度等對(duì)3D打印成品的要求選擇合適的打印耗材，或者輸入以上參數(shù)由系統(tǒng)推薦打印材料。3D打印設(shè)備選擇器是根據(jù)工藝要求、打印材料、精度要求，選擇最合適的打印設(shè)備。

4.4 3D打印技術(shù)交流中心

交流中心分為技術(shù)交流區(qū)、模型和成品展示區(qū)、軟件討論區(qū)、硬件討論區(qū)幾部分。技術(shù)交流區(qū)類(lèi)似于論壇，用戶或者學(xué)生、老師、技術(shù)人員可以在該區(qū)發(fā)起技術(shù)討論，尋求技術(shù)幫助，以及尋找創(chuàng)意點(diǎn)。如果是討論軟件使用方面的問(wèn)題，可以在軟件討論區(qū)進(jìn)行，該區(qū)所討論的軟件包括三維設(shè)計(jì)軟件、用于逆向生成的三維掃描軟件、分層軟件、工藝優(yōu)化等。硬件討論區(qū)主要討論3D打印設(shè)備、打印材料、加工精度等方面。典型的三維設(shè)計(jì)模型、國(guó)內(nèi)外3D打印精品展示、本平臺(tái)已制作完成的3D打印成品等則在模型和成品展示區(qū)展示。

4.5 3D打印學(xué)習(xí)中心

學(xué)習(xí)中心的主要功能是提供給師生們及所有學(xué)習(xí)者一個(gè)學(xué)習(xí)3D打印知識(shí)和技能、了解最新技術(shù)的平臺(tái)，包括基礎(chǔ)知識(shí)、CAD設(shè)計(jì)工具下載、三維模型制作技巧、典型案例庫(kù)。學(xué)生、老師和用戶可以在這里學(xué)習(xí)3D打印，了解典型案例的制作過(guò)程并對(duì)照著制作，以此形象化地了解3D打印內(nèi)涵和3D打印技術(shù)。平臺(tái)上還有各類(lèi)3D打印所用到的軟件供下載，并配有教學(xué)視頻，供初學(xué)者學(xué)習(xí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于3D打印在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了符合學(xué)生和高校特征的3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)。大學(xué)校園內(nèi)3D打印網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)平臺(tái)的建立，為高校師生和所有學(xué)習(xí)者提供了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的、跨地域跨高校的資源共享和技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，一方面能極大地提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，加快各專(zhuān)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，另一方面也能推動(dòng)3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（04）：1-4.

[2]NOVAK J，NOVAKOVA L，BARNA J，et al. Application of FDM rapid prototyping technology in experimental gearbox development process [J].Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette，2012，19（03）：689-694.

[3]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（07）：97-99.

[4][美]L·約翰遜，S·亞當(dāng)斯貝克爾，V·埃斯特拉達(dá)等.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告[M].2014，美國(guó)德克薩斯：新媒體聯(lián)盟出版社.

[5]李堅(jiān)，許民，包文慧.影響未來(lái)的顛覆性技術(shù)：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，43（06）：1-9.

[6]高弋涵.基于3D打印的個(gè)性化定制平臺(tái)交互設(shè)計(jì)研究[D].西南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[7]劉曉丹.創(chuàng)客教育課程設(shè)計(jì)模式研究——以A大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)2015級(jí)研究生創(chuàng)新課程為例[D].華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

作者簡(jiǎn)介

章偉（1963-），男，四川省樂(lè)山市人。大學(xué)本科學(xué)歷。副教授。主要研究方向?yàn)?D打印、新能源汽車(chē)。

羅茂元（1982-），男，副教授。主要研究方向?yàn)?D打印、物聯(lián)網(wǎng)。

周萍（1968-），女，教授。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器人技術(shù)。

作者單位

四川城市職業(yè)學(xué)院汽車(chē)與信息工程學(xué)院 四川省成都市 610101endprint