高校3D打印網絡化服務平臺建設研究

章偉+周萍+羅茂元

摘 要

為了培養學生的工程實踐能力和創新思維能力，了解和掌握先進數字化技術，基于各高校3D打印實驗室，構建了一個符合學生和高校特征的跨院校、區域型3D打印網絡化服務平臺，闡述了它的體系結構、工作流程和功能設計。該平臺可供校內外師生和社會用戶進行物品的設計和3D打印成型，為所有使用者提供了一個基于互聯網的3D打印技術交流與加工制造平臺。

【關鍵詞】3D打印 網絡化服務平臺 高校 實驗教學

3D打印是一種新型的增材制造快速成型技術，它以數字化模型為基礎，運用粉末狀金屬、塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體。3D打印大大降低了設計與制造的復雜度，在工業設計、汽車、建筑、醫學、航空航天、教育等領域具有廣闊的應用前景。3D打印技術必將引領人類未來制造業的發展方向，其軟件將逐步代替制模機、機床、刀頭、沖壓機等傳統制造工具主導工業生產過程，具有劃時代的重要意義。

隨著3D打印技術的發展，3D打印在教育領域中的應用日益受到研究者的關注，一些國家和組織也開始對3D打印的教育應用進行研究。新媒體聯盟（New Media Consortium， NMC）連續三年在地平線報告中提出，3D打印是未來五年最值得關注的新技術，將帶來教學、學習和研究領域的創新。應該如何實現教育創新，拓展基于創造的學習形式，如何實現舊教育模式向新的開放型教學模式轉變，如何有效地將3D打印應用到高校教育領域，培養出具有創新創造意識、掌握新技術的新時代技術型人材，是值得高校教育工作者不斷探索和實踐的課題。

3D打印技術不僅會給制造業帶來革命性的變化，同樣對教育觀念和教育模式也會產生深遠影響。在大學校園內建設3D打印創新實驗室，設立3D打印實訓課程，建立一個基于高校3D打印實驗設備的3D打印網絡化服務平臺，為師生們提供了一種基于互聯網的、跨高校跨地域的資源共享和技術創新環境，一方面能培養學生的工程實踐能力和創新思維能力，幫助學生了解和掌握先進數字化技術，另一方面也能推動3D打印技術的推廣應用。

本文提出了一個基于各校3D打印實驗室的跨院校、區域型的3D打印網絡化服務平臺，闡述了它的體系結構、工作流程和功能設計。社會用戶和校內外師生可以通過該平臺進行物品的設計和3D打印。所有使用者只要在瀏覽器上打入該平臺的網絡地址，就可以進入平臺首頁。它實質是一個基于互聯網的3D打印技術交流與加工制造平臺。

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，邊打印邊疊加，最后“打印”出一個立體成品。利用3D打印技術得到的成品精確度較高，即使是中低精度的3D打印機型號，也能打印出精確的成品，比起鑄造、沖壓、蝕刻、模具等傳統方法能更快速地生成原型，特別是對于傳統方法難以制作的特殊結構模型。

1.2 3D打印的工作過程

1.2.1 建模

利用3D打印技術打印成品前，需要先利用CAD設計軟件設計出成品的三維模型，所以3D打印成型的第一個環節是建立三維模型。3D打印所用的CAD設計軟件有UG、Pro/E、SolidWorks等。也可以通過逆向建模設計出三維模型。

1.2.2 分層

分層是把三維模型輸入到電腦，由3D打印機配備的專業軟件CubeX進行處理，生成二維圖形模型的過程。有了三維模型后，并不能直接輸入3D打印機進行打印，還需要進行分層切片處理，即將三維模型切成一層一層的薄片，每個薄片可以設置的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。

1.2.3 成型

以熔融沉積成型3D打印機為例。噴嘴在打印機的分層模型信息和控制信息的作用下，進行零件堆砌，送絲機構把絲狀熱塑性材料送進熱熔噴頭加熱熔化，再由噴嘴將材料以一定壓力噴擠出來，同時噴頭沿水平方向移動。一層打印完成后，升降系統移動到下一層，繼續打印接下來的新薄層。這一過程反復進行，薄層層層堆積，緊密粘合，從下而上逐漸形成一個完整的三維實體成品。

1.2.4 后期處理

打印完成后，有可能會進行后期處理，包括對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打印網絡化服務平臺

2.1 背景

3D打印技術的迅速發展給傳統制造業帶來前所未有的競爭壓力，尤其沖擊了產品開發、機械制造、成型裝備，導致了個性化設計成為可能。在信息化、云計算、大數據、物聯網和智能制造的大背景下，隨著新興技術的快速發展和社會發展的必然趨勢，3D打印網絡化服務平臺作為滿足用戶個性化需求、提供多元化3D打印產業服務的網上平臺應運而生。

目前，3D打印技術還沒有廣泛進入大學校園，國內高校在一些工科專業的課程設置中，對3D打印技術課程設置較少，學生學習3D打印也只是憑借自己的課余愛好進行嘗試性設計和打印。因此，應加強在高校各專業中的3D打印技術的教育培訓，促進3D打印技術的推廣應用和可持續發展。我國大多數制造廠家還沒有引入“個性化設計”、“數字化設計”、“大量定制加工”等先進生產觀念，沒有意識到3D打印這種新興技術所具有的巨大優勢。廠家采購3D打印設備的數量很少，也沒有將3D打印技術應用在生產中。

對于已經引入3D打印機的高校，可以在各門設計類、制造類課程以及工程訓練中增加3D打印的實驗或實訓內容，使3D打印技術實驗教學成為培養學生實踐能力和創新能力的重要環節。并且，可以將3D打印實驗室面向全校學生開放，并配以實驗輔導教師，實現實驗室在時間、空間、服務對象、實驗內容上的開放。此外，高校還可以加入3D打印網絡化服務平臺，組織師生成立3D打印網絡化服務工作室，從3D打印網絡化平臺上承接個性化設計工作單、3D打印成品定制單，達到高校服務區域經濟的作用，同時，又能使學生接觸到形形色色的個性化設計模型和成品，啟發學生的創新能力，盡早地接觸到企業、行業和社會。endprint

2.2 平臺系統構成

本文設計的高校3D打印網絡化服務平臺的服務模式是，由擁有打印設備和技術能力的高校創建承辦3D打印網絡化服務平臺并在互聯網上推廣，其他高校可以加入該平臺。用戶將需要打印的三維模型圖提交給平臺打印并支付一定費用，高校負責維護平臺的師生將該工作單下發給相應工作室，工作室打印完成后快遞或送貨上門。

對于零基礎的用戶來說，因為他們不會繪制三維模型圖，他們可以在平臺上與設計人員溝通或咨詢專家服務，提出詳細的設計要求，將實物的尺寸和外形提供給設計人員，可能還會提供一些原始素材，比如自己手繪草圖、小零件物品的照片，由設計人員設計、確定成品的模型，繪制出三維建模圖，再由用戶提交給服務平臺打印。

3 平臺工作流程

如圖1所示，3D打印網絡化服務平臺的詳細工作流程如下：

（1）用戶通過互聯網進入平臺，實名注冊后登錄，沒有注冊的用戶可以瀏覽平臺各部分內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計要求，并預付一定費用，然后平臺生成定制工作單，加入到打印任務數據庫。高校的教師或學生登錄進入平臺，從打印任務數據庫中選擇定制工作單，蓋戳表示自己已接單。如果用戶提出的是設計要求，則制作人（即接單者）先設計生成三維模型圖，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進行審核，如果審核通過則進入下一步，否則修改模型直到審核通過。直到最后審核都未通過的模型不會打印但可以進入展示區域進行展示，并退費給用戶。

（3）接單者啟用3D打印設備選擇器和3D打印材料選擇器，根據用戶要求或者和用戶一起選擇最適當的3D打印設備和耗材，計算出打印費用，發送消息通知用戶付費。

（4）用戶付費后，制作人開始進行3D打印。打印過程中制作人將打印過程進度存入進度管理模塊，以供用戶查詢打印進度。

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

4 平臺功能分析

根據平臺的具體工作流程，平臺系統的功能可以劃分為用戶管理、制造管理、服務系統工具集、技術交流中心、學習中心五個部分。

4.1 用戶管理

主要包括平臺信息管理、打印設備管理、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信息管理模塊中查詢，打印設備、打印材料及其它硬件設施可以在打印設備管理中查詢，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

這個模塊包括制造任務管理和制造過程管理。制造任務管理主要是管理打印任務的登記、查詢、修改、設計模型審核等。制造過程管理是監控加工過程，供用戶進行打印進度查詢。

4.3 服務系統工具集

包括在線設計工具、在線動態預覽、3D打印材料選擇器、3D打印設備選擇器。對于沒有三維模型設計能力的學習者，平臺提供了在線設計工具，工具里加載了預設計的特征資源庫、常用塊和子塊庫，為學習者提供基于預定義智能特征集成建模的二次創意設計支撐。3D打印材料選擇工具是一個軟件工具，幫助用戶通過精度、光滑度、強度等對3D打印成品的要求選擇合適的打印耗材，或者輸入以上參數由系統推薦打印材料。3D打印設備選擇器是根據工藝要求、打印材料、精度要求，選擇最合適的打印設備。

4.4 3D打印技術交流中心

交流中心分為技術交流區、模型和成品展示區、軟件討論區、硬件討論區幾部分。技術交流區類似于論壇，用戶或者學生、老師、技術人員可以在該區發起技術討論，尋求技術幫助，以及尋找創意點。如果是討論軟件使用方面的問題，可以在軟件討論區進行，該區所討論的軟件包括三維設計軟件、用于逆向生成的三維掃描軟件、分層軟件、工藝優化等。硬件討論區主要討論3D打印設備、打印材料、加工精度等方面。典型的三維設計模型、國內外3D打印精品展示、本平臺已制作完成的3D打印成品等則在模型和成品展示區展示。

4.5 3D打印學習中心

學習中心的主要功能是提供給師生們及所有學習者一個學習3D打印知識和技能、了解最新技術的平臺，包括基礎知識、CAD設計工具下載、三維模型制作技巧、典型案例庫。學生、老師和用戶可以在這里學習3D打印，了解典型案例的制作過程并對照著制作，以此形象化地了解3D打印內涵和3D打印技術。平臺上還有各類3D打印所用到的軟件供下載，并配有教學視頻，供初學者學習。

5 結語

本文基于3D打印在高校實驗教學的現狀和3D打印網絡化服務的發展趨勢，設計了符合學生和高校特征的3D打印網絡化服務平臺。大學校園內3D打印網絡化服務平臺的建立，為高校師生和所有學習者提供了一種基于互聯網的、跨地域跨高校的資源共享和技術創新環境，一方面能極大地提高學生的實踐能力和創新能力，加快各專業技術的發展，另一方面也能推動3D打印技術的推廣應用。

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作者簡介

章偉（1963-），男，四川省樂山市人。大學本科學歷。副教授。主要研究方向為3D打印、新能源汽車。

羅茂元（1982-），男，副教授。主要研究方向為3D打印、物聯網。

周萍（1968-），女，教授。主要研究方向為網絡安全、機器人技術。

作者單位

四川城市職業學院汽車與信息工程學院 四川省成都市 610101endprint