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(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)選修課，學(xué)生可以學(xué)習(xí)有關(guān)機械類圖形、藝術(shù)類圖形、三維掃描數(shù)據(jù)的處理，獲得三維模型，進行打印前檢查和參數(shù)設(shè)置，打印完成后進行后期處理。結(jié)業(yè)方式為學(xué)生自己設(shè)計一套機械機構(gòu)打印模型作為學(xué)習(xí)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(shù)基礎(chǔ)要求。至少在現(xiàn)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(xué)生開設(shè)了3D打印選修課程，在教學(xué)中全部選用開源軟件。

1　課程開設(shè)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(xué)生正確了解3D打印現(xiàn)狀、掌握3D打印操作技術(shù)具備重要的現(xiàn)實意義。選用免費的開源軟件，既保護了知識產(chǎn)權(quán)，又避免了用戶重新學(xué)習(xí)和侵權(quán)的法律風(fēng)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(shù)原理的哲學(xué)家們也來湊熱鬧，大發(fā)諸如“改變?nèi)祟惿畹姆绞健薄暗谌喂I(yè)革命”的感慨［1］。3D打印近年來在國內(nèi)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(shù)，號稱3D打印是自主創(chuàng)新的開發(fā)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(shù)宅們開設(shè)了網(wǎng)站，經(jīng)常自我鼓勵和相互鼓勵，反復(fù)打印自己和心上人的頭像、抽象的后現(xiàn)代圖形或者根據(jù)大學(xué)（本科和專科）機械零件設(shè)計基礎(chǔ)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(zhàn)略眼光的風(fēng)險投資家，成立協(xié)會或聯(lián)盟，把廠家和商家集合起來，自己擔(dān)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(quán)的人動了心，劃塊地整個產(chǎn)業(yè)園區(qū)，投資一大筆錢，期待效益產(chǎn)出。

其實，3D打印不能萬能化。《麻省理工技術(shù)評論》編輯大衛(wèi)·羅特曼在“制造者和制造商之間的區(qū)別”中指出：“通過3D打印技術(shù)徹底改變工業(yè)生產(chǎn)方式這樣感情奔放的結(jié)論，往往是由于對目前的工業(yè)現(xiàn)實缺乏認識所造成的。從德國聯(lián)邦教研部的角度看，3D打印技術(shù)首先是一個很有意思的補充生產(chǎn)工具，必須在未來幾年的工業(yè)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(shù)是沒有發(fā)展前景的。

1.2開源軟件

商業(yè)軟件開發(fā)團隊龐大，軟件功能強大，技術(shù)服務(wù)及時，但價格不菲，并且一些企業(yè)的后續(xù)服務(wù)需要另外支付費用，企業(yè)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(yè)軟件的一部分功能。使用非正版軟件可以獲得商業(yè)軟件的一些功能，但性能不穩(wěn)定將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或出錯，并且面臨著巨大的法律風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險。

開源軟件可以避免以上風(fēng)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(fā)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(xué)生在校期間學(xué)習(xí)的是開源軟件，則在校期間和畢業(yè)后，都可以一直使用同一個軟件，縮短了學(xué)生就業(yè)適應(yīng)期，大幅提高了就業(yè)質(zhì)量，減少了創(chuàng)業(yè)時的法律風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)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(xué)內(nèi)容

使用3D打印需要用戶具備一定的基礎(chǔ)。客戶抱怨售后服務(wù)差，而企業(yè)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(xiàn)了問題能通過網(wǎng)絡(luò)或電話獲得技術(shù)支持并自己動手調(diào)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(shù)功底要求就更高了。因而，關(guān)于3D打印的教學(xué)就顯得非常有必要，課程主要內(nèi)容包括以下幾個方面：

2.1 3D打印基礎(chǔ)

傳統(tǒng)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(fù)雜尤其是內(nèi)腔復(fù)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(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，3D打印技術(shù)可以打印非常復(fù)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(shù)，主要的有分層實體制造LOM、熔融沉積式 FDM、選擇性激光燒結(jié)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(jié)DMLS、數(shù)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(chǔ)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(fā)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(yè)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(fù)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(zhuǎn)、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(huán)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(shù)類圖形

收集素材。在使用素材時，不管是來自網(wǎng)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(yè)內(nèi)或明確規(guī)定，或約定俗成的版權(quán)規(guī)定。尤其是當自己的作品要發(fā)布，甚至用于商業(yè)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(xiàn)像捏橡皮泥似地雕刻出藝術(shù)模型。混合大師MeshMixer可以實現(xiàn)雕塑和編輯，其長處在于輕松實現(xiàn)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(shù)據(jù)

一個典型的三維掃描過程是：設(shè)備校準、添加標記點/噴顯影劑、獲取數(shù)據(jù)和處理、生成點云、數(shù)據(jù)處理等。Inspect用于對掃描點云進行三維分析。主要功能有：參數(shù)化檢測、圖檔輸入、智能化檢測導(dǎo)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(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)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(jù)規(guī)則，檢測并處理以下特殊情況：孤立物體、閉合性檢測、交叉區(qū)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(fù)和添加支撐。利用Cura設(shè)置打印參數(shù)。主要參數(shù)有：熱床溫度、噴頭溫度、打印速度、壁厚等。在Cura中也可設(shè)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(jù)情況，采用漆刀、鏟子、調(diào)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(guī)定的環(huán)境中使用。

2.6結(jié)業(yè)考試

講解機械原理與機械傳動。學(xué)生選擇一種機構(gòu)，設(shè)計尺寸和結(jié)構(gòu)。用FDM打印機打印并組裝，要求運行平穩(wěn)，滿足基本的運行參數(shù)要求。隨堂考試繪制三維圖形軟件，并寫一份結(jié)業(yè)總結(jié)。

3　結(jié)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(shè)計與制造。學(xué)生很感興趣，了解了3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握了繪制三維機械圖形和藝術(shù)圖形的基本技術(shù)，設(shè)計并打印了一套模型。看著自己的作品，學(xué)生非常開心，教師也達到了教學(xué)目的。

目前，國內(nèi)高職院校多開設(shè)了計算機輔助設(shè)計與制造、模具設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計與制造、數(shù)控技術(shù)等相關(guān)機械、制造大類專業(yè)。3D打印教育改革可以促進專業(yè)協(xié)作與融合，將個人能力與團隊協(xié)作相結(jié)合、職業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)相融合，提升了高校實力和學(xué)生的就業(yè)競爭力。

［1］傅駿，王澤忠，方輝，等.3D打印技術(shù)及其在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望［J］.中小企業(yè)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(yè)技術(shù)學(xué)院面向高職工科學(xué)生的開源軟件探索與實踐；項目編號：GG2016616149。德陽市社科聯(lián)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(xué)生創(chuàng)新項目；項目名稱：基于熔融沉積FDM的金屬材質(zhì)創(chuàng)意工藝品制造實踐；項目編號：（2016-05）

傅駿（1973— ），男，四川儀隴。