增強現實技術在增材制造教學中的應用思考

錢波 樊紅日

摘要：將增強現實（AR）技術應用在增材制造（AM）技術實踐教學中，可實現基于AR的數字化模型交互式設計、實時反饋式分層預覽，以及面向增材制造工藝特點的沉浸式教學，特別是將AR技術應用在功能演示和展示上將直觀呈現增材制造應用效果，便于學生融會貫通，提高實踐教學的培養效果，提升教學培養的深度和廣度。

關鍵詞：增強現實技術，增材制造技術，實踐教學，沉浸式教學

0 引言：

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等）通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗[1]。增強現實技術，不僅展現了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加[2]。在視覺化的增強現實中，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞著它。增強現實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段[3，4]。增強現實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。由于增強現實技術的突出特點：①真實世界和虛擬世界的信息集成;②具有實時交互性[5];③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術可廣泛應用到軍事、醫療、建筑、教育、工程、影視、娛樂等領域[6]。因此為了加深提高增材制造技術在實踐教學中的培養效果和培養深度[7]，本文探討利用增強現實的技術應用到增材制造技術的實踐教學中，以期待能獲得更大突破和有益的效果。

以增材制造技術為支撐的凈近成形技術，可徹底解決常規加工中難以加工局部的難題，大幅度提高零件的可靠性和使用壽命，是傳統去除式加工工藝的實質性突破[8]。AM 是集現代 CAD/CAM 技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料等技術領域的最新成果于一體的零件快速制造技術[9]。將增強現實技術引入增材制造專業的實踐教學活動中，通過設計不同的顯示、交互、互動及反饋環節，使學生在身臨其境的環境中學習了解實踐增材制造工藝，對成形過程和成形工藝建立直觀多維度的觸發式教學體系，可以使學生更好適應當今社會的需求與發展[10]。

1 總體教學應用規劃

在增材制造教學實踐中，傳統的增材制造模型設計方法是設計方提供模型，然后利用多種增材制造工藝通過成形方法制造出樣品，再將樣品反饋給設計方，設計方再根據展示效果做出評估，再進一步優化，反復迭代，研制周期長。故為了加快迭代速度，在實踐環節應采取“增強現實和3D打印” 結合的方式。

針對增材制造具體工藝，增強現實技術可有助于學生對制造工藝的理解達到身臨其境的有益效果。利用當前較為成熟的三類增材制造工藝：金屬材料增材制造工藝、高分子材料增材制造工藝、樹脂材料增材制造工藝，結合三維逆向掃描技術，在基礎知識講解過程中，讓學生充分利用增強現實技術了解這三類制造工藝的原理、設備組成、成形過程。增強現實技術可全程融入在模型設計-材料選擇-工藝擬定-制造監控等整個環節中，提高該專業學生的創新和實踐能力。

2 具體實施過程

為達到增強現實與增材制造的有機結合、提升增材制造課程的理論教學與實踐教學效果，可通過以下幾個方面分布實施：

2.1 建設面向增材制造的AR交互設計與在線反饋系統

建設一整套基于增強現實的面向增材制造的三維模型交互設計與用戶在線反饋系統，該系統包括學生互動端、設計師端、服務器端、增強現實模型管理模塊、后臺信息管理模塊。

其中增強現實展品模型管理模塊分別連接到服務器端、學生設計師端和學生互動端，增強現實模型管理模塊用于將設計的三維模型內容和形式轉換為增強現實展品，同時進行三維模型的實時渲染和文字介紹、動畫介紹、特點聚焦等，將學生所提出的問題和修改建議以及設計師的示范展示過程通過所述服務器端展現到所述學生設計師端和學生用戶端。其原理圖如下圖所示：

2.2 建立一套增材制造設備硬件的虛擬系統

硬件是基礎，為了在AR中直觀呈現增材制造設備硬件，有必要建立一套設備硬件虛擬系統，在該系統中，學生可以利用AR看到設備的各個功能組成模塊。具體為：面向金屬打印設備，虛擬系統中包含有激光器、振鏡、擴束器等光學元件，有送粉缸、工作缸、收粉缸、基板、鋪粉刮刀、鋪粉橫梁等運動模塊，有熔覆噴頭、送絲噴頭等送粉裝置，有電子束發生器、偏轉線圈等高能束發生裝置，以及必要的實時測量和監測元件。總之在此虛擬系統中，需建立不同3D打印設備的硬件系統，并在系統中盡可能完善的模擬其工作過程和運動過程，以增強實踐教學效果。

2.3 建設面向增材制造的AR工藝規劃和工藝過程交互系統

在增材制造中，成形工藝的擬定和規劃至關重要。對于不同應用材料，不同制造工藝，學生在初步實踐中知識理解和掌握較為困難，因此可利用增強現實技術建立面向增材制造的工藝開發、工藝規劃、成形過程的全景實時模擬、展現和交互，便于學生快速虛擬迭代不同工藝規劃并快速預測工藝結果，在此基礎上獲得最優工藝。

在具體實施中，該交互系統包括三維模型輸入端、材料輸入端、工藝設定模塊、設備硬件模塊、零件打印過程模塊、數據實時反饋模塊。學生可在AR系統中導入三維模型，導入材料并設定材料屬性，然后設定初始工藝，以及設定設備硬件參數。然后零件打印模塊負責裝載上述輸入模塊的信息，在計算機中仿真硬件各個運動模塊的工作、能量輸出模塊的激光掃描、或加熱噴頭的運動以及傳感器的實時監測等。由于材料在成形中呈現復雜的物理化學變化，特別是金屬材料的增材制造其物理轉換過程異常復雜，在該系統中呈現是非常困難以及計算規模龐大。因此為了簡化系統，可以簡單的幾何尺度的層面增加來代表現實零件材料的物理化學變化。

3 結束語

把增強現實技術應用于增材制造專業的理論教學和實踐教學中，從實踐效果來看，加深了學生對增材制造領域技術的理解和認識，學生通過身臨其境、多維互動、虛實結合的環境下學習增材制造技術，不僅很好地掌握了增材制造技術的基本原理，還充分認識了增材制造的優點及應用領域。學生通過視覺體驗、多維感觸參與從增材制造的產品設計、原型試制到批量生產的整個過程，不僅對增材化相關知識的范疇和深度增強，創新能力和實踐能力提高了，值得在增材制造專業教學活動中進行大力推廣。

參考文獻：

[1] 王涌天， 陳靖， 程德文.增強現實技術導論[M]. 科學出版社，2015.4

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[3] 常勇. 基于空間數據的戶外增強現實技術研究[M]. 山東大學出版社，2015.2

[4] 涂子琰， 孫濟洲. 增強現實技術的應用和研究[J]. 計算機工程與應用， 2003， 039（012）：100-102，125.

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[9] 張慧杰， 胡國清， 劉文艷， 林忠華. 快速原型技術研究綜述[J].機械， 2004，31（6）：1-7.

[10] 周秀梅， 楊偉. 談增強現實技術在工程實踐教學中的應用. 教育現代化， 2020，7（105）： 166-169.

作者信息：

錢波，1979-12-18，男，民族漢，籍貫 湖北襄陽，博士研究生，副教授，畢業院校華中科技大學，專業材料加工工程，研究方向增材制造技術，工作單位上海工程技術大學