基于开源软件的3D打印教育探索与实践

傅　骏，谯　攀，陈　浩，沈　伟，袁兴意，吴　静

（四川工程职业技术学院 材料工程系，四川　德阳　618000）

基于开源软件的3D打印教育探索与实践

傅骏，谯攀，陈浩，沈伟，袁兴意，吴静

（四川工程职业技术学院 材料工程系，四川德阳618000）

3D打印的步骤是生成3D模型、打印前检查、打印与后期处理。前两步是在计算机上利用软件完成的。开源软件是指开放源代码的软件，用户可以免费获得软件的全部功能。选用开源软件，开设选修课，学生可以学习有关机械类图形、艺术类图形、三维扫描数据的处理，获得三维模型，进行打印前检查和参数设置，打印完成后进行后期处理。结业方式为学生自己设计一套机械机构打印模型作为学习成果。

开源软件；3D打印；教育探索；教育改革

3D打印正在向我们走来。尽管如此，3D打印也不是万能的，且3D打印对用户有一定的技术基础要求。至少在现阶段，3D打印机远不如电视机、冰箱那样容易操作。目前，教育部面向高职学生开设了3D打印选修课程，在教学中全部选用开源软件。

1　课程开设的意义

3D打印并不是商家们宣传的那样无所不能和傻瓜式操作。帮助学生正确了解3D打印现状、掌握3D打印操作技术具备重要的现实意义。选用免费的开源软件，既保护了知识产权，又避免了用户重新学习和侵权的法律风险。

1.1正确认识3D打印

3D打印号称“所想即所得”，完全不了解技术原理的哲学家们也来凑热闹，大发诸如“改变人类生活的方式”“第三次工业革命”的感慨［1］。3D打印近年来在国内也十分火爆，各类人马纷纷登台，希望分一杯羹。部分人员借助一些开源技术，号称3D打印是自主创新的开发机器，面向全国推广，宣扬“傻瓜式操作”，神州大地处处打印ABS和PLA。技术宅们开设了网站，经常自我鼓励和相互鼓励，反复打印自己和心上人的头像、抽象的后现代图形或者根据大学（本科和专科）机械零件设计基础知识打印一堆塑料零件去替换机器上的金属件。小朋友也用3D打印笔想成为“神笔马良”。人像打印也进军城市。还有一些具有战略眼光的风险投资家，成立协会或联盟，把厂家和商家集合起来，自己担任会长，到处演讲和组织展览会。玩得更大的，说动政府部门有财权的人动了心，划块地整个产业园区，投资一大笔钱，期待效益产出。

其实，3D打印不能万能化。《麻省理工技术评论》编辑大卫·罗特曼在“制造者和制造商之间的区别”中指出：“通过3D打印技术彻底改变工业生产方式这样感情奔放的结论，往往是由于对目前的工业现实缺乏认识所造成的。从德国联邦教研部的角度看，3D打印技术首先是一个很有意思的补充生产工具，必须在未来几年的工业实践中证明自己”［2］。所以，广告做得再好、市场看上去再繁华，终归要由有需求的终端用户来买单。没有广大的有需求的终端用户，这种技术是没有发展前景的。

1.2开源软件

商业软件开发团队庞大，软件功能强大，技术服务及时，但价格不菲，并且一些企业的后续服务需要另外支付费用，企业一次性投入过大，长此以往将不堪重负。其实，大部分用户只使用了商业软件的一部分功能。使用非正版软件可以获得商业软件的一些功能，但性能不稳定将导致数据丢失或出错，并且面临着巨大的法律风险和经济风险。

开源软件可以避免以上风险。选用开源软件是必然趋势。开源软件是指其源码可以被公众使用的软件，并且开源软件的使用、修改和分发也不受许可证的限制。开源软件的使用者不需要付出任何费用就可以获得软件的全部功能。即使自己读不懂代码，也有志愿者帮助进行信息安全的检测，完全可以放心。如果学生在校期间学习的是开源软件，则在校期间和毕业后，都可以一直使用同一个软件，缩短了学生就业适应期，大幅提高了就业质量，减少了创业时的法律风险和经济风险。这些开源软件功能满足一般常见的需要，在保存为通用格式后，可以与其他软件进行交换。

2　教学内容

使用3D打印需要用户具备一定的基础。客户抱怨售后服务差，而企业又觉得万分委屈，这中间其实真的有误会。使用3D打印机，需要一定的机械维护维修水平，出现了问题能通过网络或电话获得技术支持并自己动手调试。这些3D打印机的使用肯定不如家庭冰箱和电视等家电那么简单轻松，更别说需要自己绘制三维图形的要求了。三维扫描也不简单，尤其是将获得点云处理成三维图形。3D打印笔对美术功底要求就更高了。因而，关于3D打印的教学就显得非常有必要，课程主要内容包括以下几个方面：

2.1 3D打印基础

传统的制造方法是减材制造，它是将一个毛坯不需要的地方切除掉，是多维加工的。这对形状复杂尤其是内腔复杂的零部件来说，加工起来非常困难。原材料利用率也不高，在制造贵金属时成本劣势明显。增材制造是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势，3D打印技术可以打印非常复杂的东西、原材料利用率高。下列概念表示同一个意思：3D打印、增材制造、增量制造、快速原型、快速成型、自由成形、叠层制造、快速制造。

3D打印有许多不同的技术，主要的有分层实体制造LOM、熔融沉积式 FDM、选择性激光烧结SLS、光固化快速成型SLA、选择性激光熔化成型SLM、三维打印3DP、直接金属激光烧结DMLS、数字光处理DLP。3D打印常用材料有ABS，PLA、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料［1］。在此基础上，微纳尺度的3D打印研究方兴未艾［2］。

2.2绘制三维机械图形

选用FreeCAD进行三维机械图形的绘制与编辑。FreeCAD是由法国Matra Datavision公司开发的、基于OpenCASCADE的开源CAD/CAE工具。擅长机械、建筑、船舶、机器人等行业的绘图与CAE等。

草图功能。在草图平面中绘制基本形状（位置、尺寸），类型有多线段、圆、圆弧、矩形、直线、点等。编辑基本图形，功能有延伸、修剪、移动、复制、对称/镜像。添加位置和尺寸的约束。有时为了生成一个三维图形，需要多个草图。

实体功能。拉伸、旋转、扫掠生成三维图形，直接生成三维实体，如：立方体、圆柱体、球。模拟实体的位置和大小。实体的编辑：倒角、镜像、阵列（矩形和环形）、修剪、投影生成曲面、拔模、布尔运算（求和、求差、求交）、螺纹等。

2.3绘制艺术类图形

收集素材。在使用素材时，不管是来自网上的下载，还是摘取自其他作品的片段，都必须遵守国家或者行业内或明确规定，或约定俗成的版权规定。尤其是当自己的作品要发布，甚至用于商业目的时，需要按要求注明素材来源或者支付一定费用。

雕塑大师Sculptris。这是一款雕刻造型工具，通过9个按钮实现像捏橡皮泥似地雕刻出艺术模型。混合大师MeshMixer可以实现雕塑和编辑，其长处在于轻松实现两个模型的混合，塑造出千奇百怪的模型。

2.4处理三维扫描数据

一个典型的三维扫描过程是：设备校准、添加标记点/喷显影剂、获取数据和处理、生成点云、数据处理等。Inspect用于对扫描点云进行三维分析。主要功能有：参数化检测、图档输入、智能化检测导引、生成2D检测报告等。逆向工程是在不能轻易获得必要生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。

2.5打印前检查与打印后处理

使用Blender检测三维模型。根据规则，检测并处理以下特殊情况：孤立物体、闭合性检测、交叉区域、无法打印的线和面、厚度、扭曲面、悬垂、尺寸约束、体积检测、非流形检测。若有缺陷，则可利用Meshmixer进行修复和添加支撑。利用Cura设置打印参数。主要参数有：热床温度、喷头温度、打印速度、壁厚等。在Cura中也可设置支撑的密度与支撑类型。

将打印完成的模型从打印平台取下进行后处理。根据情况，采用漆刀、铲子、调色刀等取下模型，不可使劲掰。去除支撑的工具有剪刀、打火机、美工刀、尖嘴钳等。光滑化模型表面方法有砂纸打磨、珠光处理和蒸汽平滑。模型上色可用丙烯酸染料、马克笔、无卤素记号笔。用粘接剂将几部分黏接在一起。部分黏接剂和抛光机有轻微毒性，一定要按照使用说明在规定的环境中使用。

2.6结业考试

讲解机械原理与机械传动。学生选择一种机构，设计尺寸和结构。用FDM打印机打印并组装，要求运行平稳，满足基本的运行参数要求。随堂考试绘制三维图形软件，并写一份结业总结。

3　结语

兼顾功能与操作的方便，选择了开源软件完成3D打印模型的设计与制造。学生很感兴趣，了解了3D打印技术的优缺点和应用现状，掌握了绘制三维机械图形和艺术图形的基本技术，设计并打印了一套模型。看着自己的作品，学生非常开心，教师也达到了教学目的。

目前，国内高职院校多开设了计算机辅助设计与制造、模具设计、工业设计、机械设计与制造、数控技术等相关机械、制造大类专业。3D打印教育改革可以促进专业协作与融合，将个人能力与团队协作相结合、职业技能与职业素养相融合，提升了高校实力和学生的就业竞争力。

［1］傅骏，王泽忠，方辉，等.3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望［J］.中小企业管理与科技，2012（3）：299-300.

［2］马将.盘点微纳制造的六大“神技”［J］.知识就是力量，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

项目名称：四川工程职业技术学院面向高职工科学生的开源软件探索与实践；项目编号：GG2016616149。德阳市社科联科普项目；项目名称：3D打印来了；项目编号：德社科2016（05）-04。四川省大学生创新项目；项目名称：基于熔融沉积FDM的金属材质创意工艺品制造实践；项目编号：（2016-05）

傅骏（1973— ），男，四川仪陇。