論科技館3D打印的問題及解決方案

胡晉

【摘 要】3D打印作為一個熱點技術，近年來在科技館的展示越來越多，但是3D打印由于其技術局限性，在科技館展示遇到了一些問題，本文分析了3D打印在科技館展示中遇到問題：材料單一、打印時間長、體驗感差，并就打印時間長、體驗感差提出了相應的解決方案。

【關鍵詞】科技館；3D打印；方案

3D打印機（3D Printers）是近幾年來在打印行業出現的一個新興名詞，因為它的特點跟傳統打印機有點相似，所以稱它為“打印機”。而3D打印技術在專業領域里，它有另一個名稱“疾速成形技能”，又稱疾速原型制造（Rapid PrototypingManufacturing，簡稱RPM）技能。3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、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]

3D 打印技術可以分為設計階段和打印階段，設計階段是指通過計算機軟件 ，例如 3dsmax、CAD 等 ，塑造模型本體 ，打印階段是指3D打印機把模型分解成無數個橫截面 ，最后利用快速成型機將一個個橫截面堆積成一個三維立體的模型 ，其材料可以是真實、形象的。例如 ：我們需要打印一個塑料材質的香蕉 ，那么我們可以先在 3dsmax 里制作一個香蕉模型 ，然后再 3D 打印機里倒進塑料材質 ，然后通過打印機就可以把一個計算機里顯示的模型真實的打印出來。3D打印技術在越來越多的科技館得到不同程度的展示， 上海科技館和中國科學技術館是最早對3D打印技術進行科學展示的兩家場館，隨著3D打印技術的興起，2013年內，寧夏科技館、南京科技館、浙江省科技館、深圳市科學館紛紛推出了3D打印展示項目， 2015年湖南省科技館推出了3D打印展區，合肥科技館、四川科技館、遼寧省科技館也都推出了3D打印展項，大部分科技館采用的都是熔絲堆積型的3D打印機進行展示，僅有上海科技館還展出一臺全彩粉末三維打印機，湖南省科技館展示了一臺全彩紙質打印機。

1 3D打印在科技館展示中遇到的問題

（1）材料單一，雖然目前3D打印可使用的材料有金屬、光敏樹脂、pla塑料、abs塑料、石膏粉末等，但是科技館作為相對封閉的環境，在通風換氣條件較差，而且耗材價格，后續處理的復雜性也必須考慮，受此制約，科技館能選擇的材料空間相當有限，因此大部分科技館采用的是pla塑料，這種材料較為經濟實惠，粉末彩色打印機對環境的要求較高，后續處理較為復雜，湖南省科技館館采用的紙質3D打印機，耗材便宜，對環境要求不高，缺陷是打印時間較粉末打印機更長，而且不能打印負責的內陷結構。

（2）打印時間長；以大部分科技館采用的的熔絲堆積型的3D打印機為例，打印不同產品的平均速度均在1.5-3厘米（垂至高度）/小時，完成后仍需要對成品進行一些處理，打印完成一個3—6cm的小擺件至少需要1到2小時，觀眾很難在展廳停留這么久，就為了打印一個3D打印的擺件，所以目前一些科技館的方式是向觀眾出售早已打印好的3D擺件，這樣觀眾的體驗感比較差。

（3）體驗感差，目前大部分科技館僅進行3D打印的演示，觀眾只能觀看打印的過程，觀眾無法體驗3D設計，3D打印的靈魂在于可以實現自己的創意，自己或在科技館的電腦上進行簡單處理，無法體驗到3D打印自己創意作品的快感，目前科技館展示3D打印的問題在于過于重視打印設備，不重視觀眾體驗[2]。

2 科技館3D打印問題解決方案

打印時間的材料主要是要依賴技術的進步，不是科技館需要考慮的重點問題，我認為科技館需要解決的主要問題在于解決3D打印時間長，以及體驗感差的問題，解決這兩個問題的重點在于3D打印軟件平臺的設計，3D打印軟件平臺應滿足以下條件：

2.1 工具界面友好、易上手

目前市面上的3D設計軟件過于專業，門檻太高，非專業人士難以掌握，而科技館面臨的群體主要是中小學生，所以必須采取一些容易掌握的方式，來鼓勵觀眾創造，能夠讓觀眾簡單、快速地創建能用3D打印機打印的3D模型，軟件界面應層級較少，易于操作，即便是學習者根本不懂3D制圖，也能用最自然的交互方式，創造出自己想要的模型。目前常見的以下三種方式：一是通過一些模塊讓設計初學者快速創建和編輯一個3D模型。提供很多常用的3D模塊供用戶選擇，學生可以隨便拖動不同的模塊來“組裝”自己的3D模型。如果需要調整3D模型的大小、方向或顏色，也可以通過簡單的選擇或修改來完成；二是，給予觀眾一個基本的形狀，采用捏橡皮泥的方式，讓觀眾揉捏拉伸來創造模型；三是設置一些預裝包，如“汽車套件”等。當你想設計汽車的時候，你可以從這個預裝包里面選擇適合汽車的“零件”，更輕松地設計一些像汽車一樣復雜的模型。

2.2 后期處理便捷、易于打印

在觀眾創造了模型后，需要在打印前對數據進行檢查，保證設計的模型可以順利打印出來，至少應檢查設計的模型是否滿足3D打印的幾個特性：水密性、壁厚性、支撐性等。水密性：物體模型必須封閉；壁厚性：工程軟件以實體方式建模，模型都是有厚度，如果沒有厚度則無法打印，所以模型導出前應檢查模型是否有厚度，一般情況下產品邊緣2mm以上比較容易打印；支撐性：選擇較大的面作為物體底部，這樣的支撐材料可以節省很多支撐結構，應盡量避免支撐結構，因為支撐材料在去除時會在模型上留下痕跡，而且去除的過程十分耗時。一般情況下超過45度的突出物都需要額外的支撐材料，實在避免不了要增加支撐的，可以自行在軟件中生成小圓柱或小方塊作為支撐結構，方便后期處理。

2.3 管理方便

由于3D打印需要的時間較長，科技館的觀眾一般來科技館參觀只有半天到一天的時間，往往無法等到自己設計的樣品打印出來，很多觀眾因此放棄了體驗3D打印，要解決這一問題，只需要軟件的管理后臺加上物流發送的模塊即可，讓觀眾在設計好之后填寫好自己的住址、聯系方式，打印完成后由科技館通過物流發送到觀眾手中。現在大部分3D打印機都配有攝像頭，還可以將模型的打印過程錄制下來，通過后臺發送給觀眾，讓枯燥的等待時間變得趣味十足。

對于科技館管理者而言，需要處理大量的觀眾數據，需要強大的后臺給予支持，才能滿足觀眾的參觀需求，管理后臺應能對材料、設備、觀眾訂單、物流等進行管理，可以對模型制作的各個流程進行有效監控。

要滿足觀眾對3D打印更深入學習的需求，可以就3D打印開設專門的課程，將其與創客教育、STEM教育結合，充分發揮3D打印創造力，我對3D打印在STEM教育中的應用狀態進行了整理，得到了下表：

總的來說，3D打印作為一門新興技術成為科技館近幾年來的展示熱點是無可厚非的，但是要做軟件、教育活動進行支撐，才能展示好3D打印技術，滿足觀眾對3D打印技術的好奇。

【參考文獻】

[1]（美）Brian Evans.解析3D打印機：3D打印機的科學與藝術[M].機械工業出版社，2014.

[2]李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術，遠程教育雜志，2013（04）.endprint