基于虛擬現實的3D 打印課程沉浸式教學方法研究

張李超，郭強強

（華中科技大學材料科學與工程學院 湖北 武漢 430074）

3D 打印是一種“從無到有”的增材制造方法，基于CAD 設計數據，使用液、粉、絲、片、板、塊等離散的材料逐層、逐區域疊加制造出具備任意復雜形貌特征的物體，已經在航空航天、生物醫療、文化創意、模具、消費等領域獲得廣泛應用。目前在很多高校均開展了關于3D 打印相關概念和前沿技術介紹的課程。作者也承擔了材料加工工程專業本科4 年級課程“3D 打印技術及應用”的教學工作，在前些年的教學實踐中，發現雖然引入了多媒體視頻、軟件實際操作、設備現場參觀等多種教學方式，但仍然存在以下問題：

第一，3D 打印工藝類型繁多，在三維CAD 模型驅動制造的內涵下覆蓋多種成形原理與加工方式截然不同的制造方式，目前有近十種主流3D打印工藝，并且采用不同的材料堆積與能量輸送方式，學生難以在有限的時間內對3D 打印工藝原理有一個完整而深刻的認識。

第二，3D 打印操作流程復雜漫長，絕大多數工業級設備價格昂貴，多數樹脂材料及粉末材料具有一定的安全性問題，除價格低廉、操作快捷的桌面級FDM 設備外，學校難以給學生提供操作真實的工業級設備的機會，學生缺乏對實際3D 打印過程的直觀感受，反而認為各種似是而非的成形工藝沒有意義，興趣不濃。

隨著全球數字化和智能化時代的到來，整合多種新興技術的元宇宙、虛擬世界等廣泛應用到人們生活的各個方面。當前以元宇宙為代表的虛擬世界走進教育領域并不斷引發教學改革和創新發展。為了讓學生充分體驗和感受3D 打印不同工藝的整個加工流程，本文開發了一套基于虛擬現實（VirtualReality，VR）的3D打印體驗系統，在此基礎上研究了課程沉浸式教學方法，提高學生對3D 打印領域的研究熱情和對未知技術的認知投入，從而提高教學質量。

1 基于VR 技術的3D 打印工藝過程模擬原理

1.1 基于VR 的沉浸式教學模式

VR 技術是基于計算機圖形學、計算機仿真、人機交互等多種技術融合的一種計算機模擬技術。VR 通過模擬和生成與現實世界相同的虛擬環境，利用傳感器、攝像頭等感知裝置與用戶進行人機交互，使用戶沉浸到虛擬環境中進行自主學習，具有沉浸性、交互性以及構想性等特點。如今，VR 在醫療、軍事、游戲以及教育等領域應用廣泛。隨著VR技術的大眾化，將VR 技術應用于教育的應用系統開始出現。VR 在教育方面的應用主要體現在構建一個沉浸式的VR 交互式操作過程，以非常低的成本提供覆蓋多種3D打印工藝的虛擬實踐交互式操作過程，支持1 對1 培養學生的自主學習能力，既保證了每個學生的學習體驗和學習效果，又確保了學生的安全性，從而提高了教學質量。

1.2 VR 硬件系統構建

VR 設備包括視覺顯示設備和交互設備。本文選用HTC 公司和Valve 聯合發布的VR 設備——HTC Vive 系統。HTC Vive 使用了LightHouse 定位系統，它由兩個內設有紅外線LED 陣列和兩個轉軸互相垂直的可旋轉紅外激光發射器的基站組成。將兩個基站分別放置在操作空間（大于2×1.5m）的對角處即可實時感知Vive頭盔的位置與姿態，并同步更新頭盔內置顯示裝置（2 個3.5 AMOLED顯示屏）視圖內容，從而可以讓學生以第一人稱視角獲得置身于虛擬環境中的體驗。

為給學生接近真實的3D打印設備交互式操作體驗，本VR 系統配備了兩只操控器手柄，用于感知手部動作，從而可以讓學生自主地操作虛擬3D 打印設備。

2 基于VR 的3D 打印教學系統開發

2.1 軟件架構

本教學系統基于Unity3D平臺開發，Unity3D是由Unity Technologies 開發的一款能夠使用戶輕松創建有關3D視頻游戲、實時三維動畫、建筑可視化展示等類型互動內容的游戲開發引擎。針對3D打印課程教學需要，開發了如下模塊。

場景資源。對于3D 打印場景中的打印機、零件模型以及實驗室背景等，本文通過UG 等建模軟件或直接在程序中生成這些3D 模型，并編寫Shader 著色器對模型上色，添加紋理貼圖等場景資源。對于VR 場景中音頻資源，本文收集了相關的資源文件，包括打印機運行的聲音，平臺上升下降的聲音，噴頭移動的聲音，UI 操作時的提示音以及打印完成的提示音。FDM打印機設備虛擬視圖如圖1 所示。

圖1 FDM 打印機設備

打印機邏輯。打印機噴頭的運動可以分為打印時的運動和打印開始和結束時移向中心和回到初始位置兩種。其中后者比較簡單，只需使用物體移動的函數即可。前者則需要進行打印軌跡點的保存。對于工作臺的運動，與打印機噴頭運動相似。

打印機運動狀態分析，主要包括靜止（運行）階段，冷卻階段，回到初始位置階段，預熱階段，預熱完成（開始打印）階段，移動到開始打印的位置階段，調平及運算階段，正在打印階段。這些狀態的切換有用戶可以強制進行的，還有系統自動進行的。有關模型移動的階段都對其狀態進行監控，預熱、冷卻和調平及運算階段通過迭代器進行實現。

用戶界面邏輯。所有的用戶界面都通過Unity 自帶的uGUI 模塊來創建。用戶界面包括歡迎界面，打印前的參數設置和成品模型預覽界面，打印實時狀態顯示界面和打印機顯示屏上的顯示界面。用戶界面邏輯比較簡單，用戶根據界面提供的按鈕和滑動條等組件與打印機進行交互操作。

2.2 柔性絲材的反向動力學模擬技術

為提升系統的真實感，在3D 打印過程的模擬仿真中應用了反向動力學技術。以FDM 打印機為例，加工的材料是絲材，送絲機構為柔性管狀結構。為強化柔性管狀物體的仿真效果，進行了基于反向動力學的柔性變形效果仿真。

線纜和絲材的運動特點為：一端為固定端（FDM 打印機底座、供料盤），另一端為自由端（由FDM 噴頭牽引運動）。在本文中，將上述柔性管狀物體設置為一系列相互連接約束的內骨骼，外部進行蒙皮操作使其符合線纜、絲材的外觀質感。動態確定打印過程中自由端的骨骼位置，然后再基于反向動力學的原理計算與之連接的下一塊骨骼的位置和姿態，逐步迭代到固定端的骨骼。通過調節各個影響管狀物體變形的部件的權重，可實現基本符合真實物理世界的線纜與絲材運動仿真。

3 沉浸式教學實踐

在實驗室搭建好VR 的定位基站，即可讓學生體驗基于VR 技術的沉浸式3D 打印加工過程教學。學生通過佩戴HTC Vive 頭盔和操控手柄，即可開始對虛擬3D打印機進行交互。以FDM 打印機為例，FDM 的操作流程包括打印材料的安裝、預熱噴頭和工作臺自動調平、打印、冷卻、緊急停止、取件、模型支撐的去除等步驟。

實際的VR 場景教學示意如圖2 所示。場景中央是一臺FDM 打印機，右側有材料控制面板和打印機參數控制面板，學生通過HTC Vive 頭盔可以看到模擬的虛擬場景，通過手中的手柄遙感裝置操縱打印機控制面板，從而控制FDM 打印機打印模型。

圖2 3D 打印VR 教學示意

在本系統中，學生需點擊開機按鈕，打印機將處在靜止（運行）階段，此時可以進行參數設置、成品預覽、材料安裝，材料顏色更改等操作。當學生安裝好材料才能開始打印，安好材料并點擊打印按鈕，打印機進入預熱階段，噴頭和平臺溫度分別加熱到指定溫度，狀態自行切換到移動到開始打印的位置階段，此時噴頭將進行移動，移動到平臺中心的位置之后，平臺開始上升到規定高度。狀態自行切換到調平及運算階段，大約等待5秒，進行噴頭運行軌跡的計算和平臺的調平。之后再自行切換到正在打印階段，此時打印機將開始進行模型的打印。直到模型打印完成，狀態將自行切換到回到初始位置階段，回到初始位置后，打印機狀態自行切換到冷卻階段，冷卻完成后切換到靜止（運行）階段。在整個過程中都可以點擊停止按鈕，使打印機停止打印。

4 沉浸式教學效果

在教學實踐過程中，發現這種沉浸式教學模式可以極大地提高同學們的學習熱情，具備如下積極效果。

提升了學生的學習興趣。學生可交互式體驗完整的3D 打印流程，學生的頭部、手部動作均有實時反饋，仿佛真實地在操縱打印機進行加工一般，并且中間耗費時間最長的堆積加工過程可使用高倍率加速模擬，讓數小時的加工縮短到一分鐘內，可非常深刻地體驗到“生長型”制造的原理，顯著提升了學生的學習興趣。

強化了3D 打印工藝流程的概念。在本VR 系統軟件中，對工藝流程做了嚴格的合理性判斷，學生只有完成必需的操作后才可以進入下一步操作，因而對不同3D 打印工藝流程的原理及具體過程印象明顯強化。

加深了對真實的3D 打印應用場景的認識。例如，學生通過在幾分鐘內切換尺寸大小不同的設備（例如：加工臺面僅100mm的桌面級3D打印機，到2000mm 的工業級3D 打印設備）模型，以第一人稱視角操作會獲得非常震撼的體驗，深刻認識到3D打印并不僅僅是玩具，而可以是真正的國之重器。

5 結語

基于VR 技術的沉浸式教學模式在3D 打印課程中顯著提升了學生的學習興趣，強化了對多種不同工藝流程的認識，在未來的教學模式中將會起到更重要的作用。