高校3D打印网络化服务平台建设研究

章伟+周萍+罗茂元

摘 要

为了培养学生的工程实践能力和创新思维能力，了解和掌握先进数字化技术，基于各高校3D打印实验室，构建了一个符合学生和高校特征的跨院校、区域型3D打印网络化服务平台，阐述了它的体系结构、工作流程和功能设计。该平台可供校内外师生和社会用户进行物品的设计和3D打印成型，为所有使用者提供了一个基于互联网的3D打印技术交流与加工制造平台。

【关键词】3D打印 网络化服务平台 高校 实验教学

3D打印是一种新型的增材制造快速成型技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。3D打印大大降低了设计与制造的复杂度，在工业设计、汽车、建筑、医学、航空航天、教育等领域具有广阔的应用前景。3D打印技术必将引领人类未来制造业的发展方向，其软件将逐步代替制模机、机床、刀头、冲压机等传统制造工具主导工业生产过程，具有划时代的重要意义。

随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用日益受到研究者的关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行研究。新媒体联盟（New Media Consortium， NMC）连续三年在地平线报告中提出，3D打印是未来五年最值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新。应该如何实现教育创新，拓展基于创造的学习形式，如何实现旧教育模式向新的开放型教学模式转变，如何有效地将3D打印应用到高校教育領域，培养出具有创新创造意识、掌握新技术的新时代技术型人材，是值得高校教育工作者不断探索和实践的课题。

3D打印技术不仅会给制造业带来革命性的变化，同样对教育观念和教育模式也会产生深远影响。在大学校园内建设3D打印创新实验室，设立3D打印实训课程，建立一个基于高校3D打印实验设备的3D打印网络化服务平台，为师生们提供了一种基于互联网的、跨高校跨地域的资源共享和技术创新环境，一方面能培养学生的工程实践能力和创新思维能力，帮助学生了解和掌握先进数字化技术，另一方面也能推动3D打印技术的推广应用。

本文提出了一个基于各校3D打印实验室的跨院校、区域型的3D打印网络化服务平台，阐述了它的体系结构、工作流程和功能设计。社会用户和校内外师生可以通过该平台进行物品的设计和3D打印。所有使用者只要在浏览器上打入该平台的网络地址，就可以进入平台首页。它实质是一个基于互联网的3D打印技术交流与加工制造平台。

1 3D打印

1.1 3D打印的工作原理

3D打印的基本原理是分层打印、叠加成形，即将打印材料逐片打印出来，边打印边叠加，最后“打印”出一个立体成品。利用3D打印技术得到的成品精确度较高，即使是中低精度的3D打印机型号，也能打印出精确的成品，比起铸造、冲压、蚀刻、模具等传统方法能更快速地生成原型，特别是对于传统方法难以制作的特殊结构模型。

1.2 3D打印的工作过程

1.2.1 建模

利用3D打印技术打印成品前，需要先利用CAD设计软件设计出成品的三维模型，所以3D打印成型的第一个环节是建立三维模型。3D打印所用的CAD设计软件有UG、Pro/E、SolidWorks等。也可以通过逆向建模设计出三维模型。

1.2.2 分层

分层是把三维模型输入到电脑，由3D打印机配备的专业软件CubeX进行处理，生成二维图形模型的过程。有了三维模型后，并不能直接输入3D打印机进行打印，还需要进行分层切片处理，即将三维模型切成一层一层的薄片，每个薄片可以设置的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

1.2.3 成型

以熔融沉积成型3D打印机为例。喷嘴在打印机的分层模型信息和控制信息的作用下，进行零件堆砌，送丝机构把丝状热塑性材料送进热熔喷头加热熔化，再由喷嘴将材料以一定压力喷挤出来，同时喷头沿水平方向移动。一层打印完成后，升降系统移动到下一层，继续打印接下来的新薄层。这一过程反复进行，薄层层层堆积，紧密粘合，从下而上逐渐形成一个完整的三维实体成品。

1.2.4 后期处理

打印完成后，有可能会进行后期处理，包括对部分精确度要求较高的成品的表面处理，弯曲部分、凹凸部分的光滑度处理，去除支撑材料等。

2 3D打印网络化服务平台

2.1 背景

3D打印技术的迅速发展给传统制造业带来前所未有的竞争压力，尤其冲击了产品开发、机械制造、成型装备，导致了个性化设计成为可能。在信息化、云计算、大数据、物联网和智能制造的大背景下，随着新兴技术的快速发展和社会发展的必然趋势，3D打印网络化服务平台作为满足用户个性化需求、提供多元化3D打印产业服务的网上平台应运而生。

目前，3D打印技术还没有广泛进入大学校园，国内高校在一些工科专业的课程设置中，对3D打印技术课程设置较少，学生学习3D打印也只是凭借自己的课余爱好进行尝试性设计和打印。因此，应加强在高校各专业中的3D打印技术的教育培训，促进3D打印技术的推广应用和可持续发展。我国大多数制造厂家还没有引入“个性化设计”、“数字化设计”、“大量定制加工”等先进生产观念，没有意识到3D打印这种新兴技术所具有的巨大优势。厂家采购3D打印设备的数量很少，也没有将3D打印技术应用在生产中。

对于已经引入3D打印机的高校，可以在各门设计类、制造类课程以及工程训练中增加3D打印的实验或实训内容，使3D打印技术实验教学成为培养学生实践能力和创新能力的重要环节。并且，可以将3D打印实验室面向全校学生开放，并配以实验辅导教师，实现实验室在时间、空间、服务对象、实验内容上的开放。此外，高校还可以加入3D打印网络化服务平台，组织师生成立3D打印网络化服务工作室，从3D打印网络化平台上承接个性化设计工作单、3D打印成品定制单，达到高校服务区域经济的作用，同时，又能使学生接触到形形色色的个性化设计模型和成品，启发学生的创新能力，尽早地接触到企业、行业和社会。endprint

2.2 平台系统构成

本文设计的高校3D打印网络化服务平台的服务模式是，由拥有打印设备和技术能力的高校创建承办3D打印网络化服务平台并在互联网上推广，其他高校可以加入该平台。用户将需要打印的三维模型图提交给平台打印并支付一定费用，高校负责维护平台的师生将该工作单下发给相应工作室，工作室打印完成后快递或送货上门。

对于零基础的用户来说，因为他们不会绘制三维模型图，他们可以在平台上与设计人员沟通或咨询专家服务，提出详细的设计要求，将实物的尺寸和外形提供给设计人员，可能还会提供一些原始素材，比如自己手绘草图、小零件物品的照片，由设计人员设计、确定成品的模型，绘制出三维建模图，再由用户提交给服务平台打印。

3 平台工作流程

如图1所示，3D打印网络化服务平台的详细工作流程如下：

（1）用户通过互联网进入平台，实名注册后登录，没有注册的用户可以浏览平台各部分内容但不能下单定制打印。

（2）用户提交需要打印的三维模型图或设计要求，并预付一定费用，然后平台生成定制工作单，加入到打印任务数据库。高校的教师或学生登录进入平台，从打印任务数据库中选择定制工作单，盖戳表示自己已接单。如果用户提出的是设计要求，则制作人（即接单者）先设计生成三维模型图，如果用户直接提供了模型图则可略去这一步。制作人将三维模型提交到平台进行审核，如果审核通过则进入下一步，否则修改模型直到审核通过。直到最后审核都未通过的模型不会打印但可以进入展示区域进行展示，并退费给用户。

（3）接单者启用3D打印设备选择器和3D打印材料选择器，根据用户要求或者和用户一起选择最适当的3D打印设备和耗材，计算出打印费用，发送消息通知用户付费。

（4）用户付费后，制作人开始进行3D打印。打印过程中制作人将打印过程进度存入进度管理模块，以供用户查询打印进度。

（5）对于某些过于复杂的打印任务，如果本校不具备此工艺能力或不能及时完成，可以向与高校合作的校外3D打印中心联系，以获得他们的支持。

4 平台功能分析

根据平台的具体工作流程，平台系统的功能可以划分为用户管理、制造管理、服务系统工具集、技术交流中心、学习中心五个部分。

4.1 用户管理

主要包括平台信息管理、打印设备管理、用户信息管理、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台信息管理模块中查询，打印设备、打印材料及其它硬件设施可以在打印设备管理中查询，用户的信息可以在用户信息管理中查询。用户还可以查询到高校和校外合作3D打印中心的各方面信息。

4.2 制造管理

这个模块包括制造任务管理和制造过程管理。制造任务管理主要是管理打印任务的登记、查询、修改、设计模型审核等。制造过程管理是监控加工过程，供用户进行打印进度查询。

4.3 服务系统工具集

包括在线设计工具、在线动态预览、3D打印材料选择器、3D打印設备选择器。对于没有三维模型设计能力的学习者，平台提供了在线设计工具，工具里加载了预设计的特征资源库、常用块和子块库，为学习者提供基于预定义智能特征集成建模的二次创意设计支撑。3D打印材料选择工具是一个软件工具，帮助用户通过精度、光滑度、强度等对3D打印成品的要求选择合适的打印耗材，或者输入以上参数由系统推荐打印材料。3D打印设备选择器是根据工艺要求、打印材料、精度要求，选择最合适的打印设备。

4.4 3D打印技术交流中心

交流中心分为技术交流区、模型和成品展示区、软件讨论区、硬件讨论区几部分。技术交流区类似于论坛，用户或者学生、老师、技术人员可以在该区发起技术讨论，寻求技术帮助，以及寻找创意点。如果是讨论软件使用方面的问题，可以在软件讨论区进行，该区所讨论的软件包括三维设计软件、用于逆向生成的三维扫描软件、分层软件、工艺优化等。硬件讨论区主要讨论3D打印设备、打印材料、加工精度等方面。典型的三维设计模型、国内外3D打印精品展示、本平台已制作完成的3D打印成品等则在模型和成品展示区展示。

4.5 3D打印学习中心

学习中心的主要功能是提供给师生们及所有学习者一个学习3D打印知识和技能、了解最新技术的平台，包括基础知识、CAD设计工具下载、三维模型制作技巧、典型案例库。学生、老师和用户可以在这里学习3D打印，了解典型案例的制作过程并对照着制作，以此形象化地了解3D打印内涵和3D打印技术。平台上还有各类3D打印所用到的软件供下载，并配有教学视频，供初学者学习。

5 结语

本文基于3D打印在高校实验教学的现状和3D打印网络化服务的发展趋势，设计了符合学生和高校特征的3D打印网络化服务平台。大学校园内3D打印网络化服务平台的建立，为高校师生和所有学习者提供了一种基于互联网的、跨地域跨高校的资源共享和技术创新环境，一方面能极大地提高学生的实践能力和创新能力，加快各专业技术的发展，另一方面也能推动3D打印技术的推广应用。

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作者简介

章伟（1963-），男，四川省乐山市人。大学本科学历。副教授。主要研究方向为3D打印、新能源汽车。

罗茂元（1982-），男，副教授。主要研究方向为3D打印、物联网。

周萍（1968-），女，教授。主要研究方向为网络安全、机器人技术。

作者单位

四川城市职业学院汽车与信息工程学院 四川省成都市 610101endprint