基于開源軟件的3D打印教育探索與實踐

傅　駿，譙　攀，陳　浩，沈　偉，袁興意，吳　靜

（四川工程職業技術學院 材料工程系，四川　德陽　618000）

基于開源軟件的3D打印教育探索與實踐

傅駿，譙攀，陳浩，沈偉，袁興意，吳靜

（四川工程職業技術學院 材料工程系，四川德陽618000）

3D打印的步驟是生成3D模型、打印前檢查、打印與后期處理。前兩步是在計算機上利用軟件完成的。開源軟件是指開放源代碼的軟件，用戶可以免費獲得軟件的全部功能。選用開源軟件，開設選修課，學生可以學習有關機械類圖形、藝術類圖形、三維掃描數據的處理，獲得三維模型，進行打印前檢查和參數設置，打印完成后進行后期處理。結業方式為學生自己設計一套機械機構打印模型作為學習成果。

開源軟件；3D打印；教育探索；教育改革

3D打印正在向我們走來。盡管如此，3D打印也不是萬能的，且3D打印對用戶有一定的技術基礎要求。至少在現階段，3D打印機遠不如電視機、冰箱那樣容易操作。目前，教育部面向高職學生開設了3D打印選修課程，在教學中全部選用開源軟件。

1　課程開設的意義

3D打印并不是商家們宣傳的那樣無所不能和傻瓜式操作。幫助學生正確了解3D打印現狀、掌握3D打印操作技術具備重要的現實意義。選用免費的開源軟件，既保護了知識產權，又避免了用戶重新學習和侵權的法律風險。

1.1正確認識3D打印

3D打印號稱“所想即所得”，完全不了解技術原理的哲學家們也來湊熱鬧，大發諸如“改變人類生活的方式”“第三次工業革命”的感慨［1］。3D打印近年來在國內也十分火爆，各類人馬紛紛登臺，希望分一杯羹。部分人員借助一些開源技術，號稱3D打印是自主創新的開發機器，面向全國推廣，宣揚“傻瓜式操作”，神州大地處處打印ABS和PLA。技術宅們開設了網站，經常自我鼓勵和相互鼓勵，反復打印自己和心上人的頭像、抽象的后現代圖形或者根據大學（本科和專科）機械零件設計基礎知識打印一堆塑料零件去替換機器上的金屬件。小朋友也用3D打印筆想成為“神筆馬良”。人像打印也進軍城市。還有一些具有戰略眼光的風險投資家，成立協會或聯盟，把廠家和商家集合起來，自己擔任會長，到處演講和組織展覽會。玩得更大的，說動政府部門有財權的人動了心，劃塊地整個產業園區，投資一大筆錢，期待效益產出。

其實，3D打印不能萬能化。《麻省理工技術評論》編輯大衛·羅特曼在“制造者和制造商之間的區別”中指出：“通過3D打印技術徹底改變工業生產方式這樣感情奔放的結論，往往是由于對目前的工業現實缺乏認識所造成的。從德國聯邦教研部的角度看，3D打印技術首先是一個很有意思的補充生產工具，必須在未來幾年的工業實踐中證明自己”［2］。所以，廣告做得再好、市場看上去再繁華，終歸要由有需求的終端用戶來買單。沒有廣大的有需求的終端用戶，這種技術是沒有發展前景的。

1.2開源軟件

商業軟件開發團隊龐大，軟件功能強大，技術服務及時，但價格不菲，并且一些企業的后續服務需要另外支付費用，企業一次性投入過大，長此以往將不堪重負。其實，大部分用戶只使用了商業軟件的一部分功能。使用非正版軟件可以獲得商業軟件的一些功能，但性能不穩定將導致數據丟失或出錯，并且面臨著巨大的法律風險和經濟風險。

開源軟件可以避免以上風險。選用開源軟件是必然趨勢。開源軟件是指其源碼可以被公眾使用的軟件，并且開源軟件的使用、修改和分發也不受許可證的限制。開源軟件的使用者不需要付出任何費用就可以獲得軟件的全部功能。即使自己讀不懂代碼，也有志愿者幫助進行信息安全的檢測，完全可以放心。如果學生在校期間學習的是開源軟件，則在校期間和畢業后，都可以一直使用同一個軟件，縮短了學生就業適應期，大幅提高了就業質量，減少了創業時的法律風險和經濟風險。這些開源軟件功能滿足一般常見的需要，在保存為通用格式后，可以與其他軟件進行交換。

2　教學內容

使用3D打印需要用戶具備一定的基礎。客戶抱怨售后服務差，而企業又覺得萬分委屈，這中間其實真的有誤會。使用3D打印機，需要一定的機械維護維修水平，出現了問題能通過網絡或電話獲得技術支持并自己動手調試。這些3D打印機的使用肯定不如家庭冰箱和電視等家電那么簡單輕松，更別說需要自己繪制三維圖形的要求了。三維掃描也不簡單，尤其是將獲得點云處理成三維圖形。3D打印筆對美術功底要求就更高了。因而，關于3D打印的教學就顯得非常有必要，課程主要內容包括以下幾個方面：

2.1 3D打印基礎

傳統的制造方法是減材制造，它是將一個毛坯不需要的地方切除掉，是多維加工的。這對形狀復雜尤其是內腔復雜的零部件來說，加工起來非常困難。原材料利用率也不高，在制造貴金屬時成本劣勢明顯。增材制造是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優勢，3D打印技術可以打印非常復雜的東西、原材料利用率高。下列概念表示同一個意思：3D打印、增材制造、增量制造、快速原型、快速成型、自由成形、疊層制造、快速制造。

3D打印有許多不同的技術，主要的有分層實體制造LOM、熔融沉積式 FDM、選擇性激光燒結SLS、光固化快速成型SLA、選擇性激光熔化成型SLM、三維打印3DP、直接金屬激光燒結DMLS、數字光處理DLP。3D打印常用材料有ABS，PLA、尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料［1］。在此基礎上，微納尺度的3D打印研究方興未艾［2］。

2.2繪制三維機械圖形

選用FreeCAD進行三維機械圖形的繪制與編輯。FreeCAD是由法國Matra Datavision公司開發的、基于OpenCASCADE的開源CAD/CAE工具。擅長機械、建筑、船舶、機器人等行業的繪圖與CAE等。

草圖功能。在草圖平面中繪制基本形狀（位置、尺寸），類型有多線段、圓、圓弧、矩形、直線、點等。編輯基本圖形，功能有延伸、修剪、移動、復制、對稱/鏡像。添加位置和尺寸的約束。有時為了生成一個三維圖形，需要多個草圖。

實體功能。拉伸、旋轉、掃掠生成三維圖形，直接生成三維實體，如：立方體、圓柱體、球。模擬實體的位置和大小。實體的編輯：倒角、鏡像、陣列（矩形和環形）、修剪、投影生成曲面、拔模、布爾運算（求和、求差、求交）、螺紋等。

2.3繪制藝術類圖形

收集素材。在使用素材時，不管是來自網上的下載，還是摘取自其他作品的片段，都必須遵守國家或者行業內或明確規定，或約定俗成的版權規定。尤其是當自己的作品要發布，甚至用于商業目的時，需要按要求注明素材來源或者支付一定費用。

雕塑大師Sculptris。這是一款雕刻造型工具，通過9個按鈕實現像捏橡皮泥似地雕刻出藝術模型。混合大師MeshMixer可以實現雕塑和編輯，其長處在于輕松實現兩個模型的混合，塑造出千奇百怪的模型。

2.4處理三維掃描數據

一個典型的三維掃描過程是：設備校準、添加標記點/噴顯影劑、獲取數據和處理、生成點云、數據處理等。Inspect用于對掃描點云進行三維分析。主要功能有：參數化檢測、圖檔輸入、智能化檢測導引、生成2D檢測報告等。逆向工程是在不能輕易獲得必要生產信息的情況下，直接從成品分析，推導出產品的設計原理。

2.5打印前檢查與打印后處理

使用Blender檢測三維模型。根據規則，檢測并處理以下特殊情況：孤立物體、閉合性檢測、交叉區域、無法打印的線和面、厚度、扭曲面、懸垂、尺寸約束、體積檢測、非流形檢測。若有缺陷，則可利用Meshmixer進行修復和添加支撐。利用Cura設置打印參數。主要參數有：熱床溫度、噴頭溫度、打印速度、壁厚等。在Cura中也可設置支撐的密度與支撐類型。

將打印完成的模型從打印平臺取下進行后處理。根據情況，采用漆刀、鏟子、調色刀等取下模型，不可使勁掰。去除支撐的工具有剪刀、打火機、美工刀、尖嘴鉗等。光滑化模型表面方法有砂紙打磨、珠光處理和蒸汽平滑。模型上色可用丙烯酸染料、馬克筆、無鹵素記號筆。用粘接劑將幾部分黏接在一起。部分黏接劑和拋光機有輕微毒性，一定要按照使用說明在規定的環境中使用。

2.6結業考試

講解機械原理與機械傳動。學生選擇一種機構，設計尺寸和結構。用FDM打印機打印并組裝，要求運行平穩，滿足基本的運行參數要求。隨堂考試繪制三維圖形軟件，并寫一份結業總結。

3　結語

兼顧功能與操作的方便，選擇了開源軟件完成3D打印模型的設計與制造。學生很感興趣，了解了3D打印技術的優缺點和應用現狀，掌握了繪制三維機械圖形和藝術圖形的基本技術，設計并打印了一套模型。看著自己的作品，學生非常開心，教師也達到了教學目的。

目前，國內高職院校多開設了計算機輔助設計與制造、模具設計、工業設計、機械設計與制造、數控技術等相關機械、制造大類專業。3D打印教育改革可以促進專業協作與融合，將個人能力與團隊協作相結合、職業技能與職業素養相融合，提升了高校實力和學生的就業競爭力。

［1］傅駿，王澤忠，方輝，等.3D打印技術及其在鑄造中應用現狀與發展展望［J］.中小企業管理與科技，2012（3）：299-300.

［2］馬將.盤點微納制造的六大“神技”［J］.知識就是力量，2016（5）：14-17.

Practice and exploration of the 3D printing education based on open source software

Fu Jun， Qiao Pan， Chen Hao， Shen Wei， Yuan Xinyi， Wu Jing
（Department of Material Engineering，Sichuan Engineering Technical College， Deyang 618000， China）

A typical 3D printing steps includes drawing a 3D models， checking before printing， printing 3D pattern and post-processing. The former two step are done by using the software with computer. OSS refers to the open source software， users can get full function of the software for free. The students can learn how to draw a mechanical model and an arts model， 3D scan data processing to obtain 3D model， and parameter settings and checks before printing， post processing after the printing. Graduation way for students is to design a set of mechanical mechanism of the print model as a result of learning.

open source software； 3D printing； education exploration； education reform

項目名稱：四川工程職業技術學院面向高職工科學生的開源軟件探索與實踐；項目編號：GG2016616149。德陽市社科聯科普項目；項目名稱：3D打印來了；項目編號：德社科2016（05）-04。四川省大學生創新項目；項目名稱：基于熔融沉積FDM的金屬材質創意工藝品制造實踐；項目編號：（2016-05）

傅駿（1973— ），男，四川儀隴。