国家双创示范基地中3D打印服务中心建设和服务模式探索

2020-07-11李翠超付宇卓

实验室研究与探索 2020年5期

李翠超，付宇卓，徐巍

（上海交通大学a.学生创新中心；b.教务处，上海200240）

0 引言

为推动新旧动能转换和经济产业结构升级，促进我国由高速增长转向高质量发展，国家以大众创新万众创业为支撑实施创新驱动发展战略。作为首批入选国家双创示范基地的上海交通大学，为加快创新人才培养，进一步推进创新教育与实践的结合，在现有工程训练中心的基础上创建“学生创新中心”。学生创新中心在巩固工程实践教学的基础上，着力打造创新能力训练和创新孵化两个平台，向学生提供丰富的实践训练项目和专业化的创新空间［1-3］，创新能力训练平台中重点建设以3D 打印为代表的工程服务中心，为学生双创提供开放便捷、全面周到的工程服务，支撑学生开展创新实践、科技竞赛和创业活动等。

1 3D打印服务现状

随着国家“双创”战略推进，学生创新创业活动日趋活跃，同时伴随学校工程教育改革及工科平台的深入，各专业课程中理论与实践紧密结合的基于开放课题的课程项目不断增多，学生自主的创新项目和科技竞赛实践也不断增多，这些项目实施亟需一个学校的资源和加工公共服务平台，以支持试验尝试和产品快速转化［4-5］。而3D打印，作为一种“自下而上”材料累加的制造方法，可以快速而准确地制造出复杂形状的零件，可实现创意立刻转化为原型，实现真正的“自由制造”，被越来越广泛的运用于制造业、建筑业、医学领域、航天科技领域甚至日常生活中［6］，在学生创新实践中也深受学生的欢迎，有着巨大的打印服务需求。

调研发现学校开设的多个课程和项目竞赛都有产品制作的需求，包括面向工科平台的“工程学导论”“设计与制造I”“设计与制造II”等基础课程、机动学院“制造工艺”等专业课程以及学生创新创业项目、科创竞赛等，对于想要把各种设计创意转变为实物产品的学生来说，3D打印无疑是实现创意快速转化最为有效的一种方式。在课程项目开展等各种场合调研过学生的需求期望，学生有着非常强烈的3D 打印加工服务需求。但目前各学院及原工程训练中心的大部分3D打印实验室单纯只为该实验室的课程服务，服务模式单一、开放度不高、设备利用率低，没有服务全校的机制，而且，打印设备数量和种类十分有限，打印能力不足，特别是在学生结课时，排队打印，十分紧张，等待时间也长，有巨大的需求［7-8］。调研中学生表示在大量课题制作中，都想更多采用3D 打印件，但是由于难于方便地获得，只能改为网上高成本自购，费时费力费钱，十分不利于学生创新和个人兴趣发展。因而有必要搭建一个开放的3D打印服务平台，提供资源和3D打印加工服务保障。

2 建设目标和方案

2.1 建设目标和总体方案

3D打印服务中心的建设，是为全校师生提供各类材质的3D打印服务，帮助全校各专业学生实现产品的快速设计与制造，满足学生课程、创新实践及科研产品开发中的大量3D 打印需求。同时，通过建设线上3D打印服务云平台，实现在线一键打印，将加工服务延伸到线上，并积累学生3D设计作品形成线上3D设计库，汇聚学生的创新智慧。

以学生需求为出发点调研，进行合理的空间功能规划，优化改造场地设施，改善实践活动环境，配置相应的设备、软件和器具资源，组织安排加工能力，建设服务云平台，同时辅于灵活高效的开放运行管理机制，最终形成一个可灵活获取打印加工服务，快速便捷为学生的实践创新提供支撑保障的服务平台。

2.2 基于最快服务路径的区划布置

通过研究功能需求，以能开展高效服务为目的，进行场地空间规划，考虑加工工艺流程和操作维护空间，规划最佳的服务路径，设计合理的平面布局，配设相应的服务环节，以便更好地开展服务，方便使用。3D 打印服务中心按照3D打印从逆向工程/原创概念、三维模型设计、3D打印制作、后处理及组装到集成调试的完整工程实践流程，分成了教学区、三维扫描区、打印服务区、接待区、后处理区几部分（见图1），整个布局为核心四射式，以各空间都需要用到的公共区域为核心，各部分空间相对独立，又能相互协调，以高效服务为目的。

图1 3D打印中心场地功能规划图

2.3 兼顾需求多样性和重点产能的设备配置

在设备配置上，在3D打印方面，新建不同技术的3D打印设备，扩大常规设备能力，为学生提供多种材料、宽范围尺寸、高精度的打印加工。实施中深入调研学生的需求，以及不同技术的应用范围、使用效益，比较分析确定多轮购置计划。①改善现有FDM 熔融沉积打印机；②逐步购置SLA 光固化打印机、Polyjet 聚合物喷射打印机、SLS选择性激光烧结打印机、SLM金属选择性激光融化打印机等设备，实现各种高稳定性和宽适用性的3D打印技术全覆盖。

原来的工程训练中心在FDM 领域已经有了一些教学和加工服务基础，但在其他技术上还基本空白。FDM打印技术工艺简单，易操作，成本低，非常适合办公环境，适合学生开展创新，因此需要补充各类打印尺寸的精良FDM 打印机，增大产能。FDM 技术虽然成本低，但成型精度相对光固化等其他方式偏低，光固化打印技术非常适合制作精度要求高，结构复杂及精细原型，表面质量很好，是工业应用最广泛、技术最成熟的打印技术之一，因此有必要引入系列光固化技术的打印设备。

在逆向工程方面，在目前的桌面式扫描仪基础上，购置涵盖工业测量、人体扫描、医学相关扫描等领域的高精度高质量的扫描设备及相应的数据处理系统。

在软件配置上，为了提高学生创新实践中的产品设计质量，充分发挥3D 打印在异形和中空复杂零件制造中的优势，引入最新拓扑优化和工业设计软件Altair Solidthinking Inspire，拓展学生设计空间，对机械产品进行轻量化和美化设计，支撑实践教学和创新设计制作。

综上，3D打印中心第一期建设打印设备及软件配套见表1，设备及软件配置已经形成一定规模，能充分开展最大打印尺寸450 mm ×450 mm ×350 mm，材质有塑料、光敏树脂、透明材料、类橡胶材料、刚性不透明材料等10 余种材料的打印服务。

2.4 3D打印云平台

针对3D打印快速原型实现技术，在实体3D打印服务中心基础上，为了向全校学生提供高效便捷的3D打印服务，借助信息与网络技术，以“互联网+3D 打印”，将相关硬软件集合起来，建成全新的远程递交和模型展示的3D 打印云平台，实现线上远程递交设计文件获取加工产品［9-10］。学生可使用校内jAccount账号登录平台，实现在线3D打印、远程递交模型、3D 打印设计库积累、模型交流分享、展示宣传、资源共享等功能。

远程提交打印时，学生可个性化定制，选打印材料、颜色、精度、打印机种类等，平台对模型进行检测审核，并根据模型的体积进行耗材估算，审核通过后，由线下3D打印服务中心人员备料并开始打印，完成后通过邮件、短信或微信等方式通知学生领取，可进行订单的实时跟踪。并支持发布企业项目，把企业的实际问题需求引入学生创新项目，支持学生作品与创投的接洽，促进项目孵化。平台的框架见图2。

表1 3D打印中心一期建设打印设备及软件配套

图2 3D打印云平台框架

3 专业化服务模式探索

3.1 服务内容拓展

为满足全校学生的创新创业对实验尝试、产品快速转化、硬件支持的需求，构建3D 打印服务体系，针对各环节提供精细化的服务，包括建模设计、三维扫描、逆向工程、3D打印、后处理、设计优化、线上提交、模型分享等，见图3。

图3 3D打印服务中心服务内容

（1）课程教学实践支持。为专门3D 打印课程提供实践支持，包括中心/院系专门的3D 打印课程教学，如金工实习、工程实践、工程认知实践等，以及各院系课程的实践制作，如工程学导论、设计与制造系列课、课程设计、毕业设计的3D打印环节。

（2）3D打印加工服务。从逆向工程/三维扫描、3D设计、3D打印、后处理及组装到集成调试，在学生工程实践流程各个环节中都提供相应的服务。

（3）技术咨询及教育培训服务。为学生的创新实践活动提供技术指导与保障服务，为大、中、小学师生及企业提供课程培训。

（4）基本测试支持。主要包括逆向工程，作品的扫描测量，模型的可打印测试等。

3.2 运行服务模式创新

创新实验室管理运行模式，围绕对学生的服务及最大程度满足学生的需求，从实验室场地及设备预约、线上及线下加工服务流程、设备及耗材使用规定、安全保障体系、岗位职责等方面，建立一套合理、高效、可持续的服务流程，保障学生创新实践的开展［11-13］。

（1）远程加工服务。通过“互联网+3D打印”服务云平台，学生根据需求和兴趣，个性化选择参数，远程提交设计模型文件，由3D 打印中心提供制作打印，制作好后通知学生领取，简单便捷。典型的通过3D打印服务云平台开展服务的流程见图4。

图4 远程加工服务流程

（2）设计库资源共享及撮合服务。利用3D 打印云平台，积累学生大量的设计作品，形成设计模型库，积累设计库并展示，模型库分为标准件和创新作品，标准件库公开方便学生直接调用，创新作品加强促进交流提升。平台通过积分鼓励学生分享模型，汇聚学生的创新智慧，进行创意分享交流及撮合服务，支持学生作品与企业创投的接洽，积极促成学生创业活动。

（3）7 ×24 小时全天开放。学生创新实践需求大部分是在课后，为满足学生创新实践的需求，3D 打印中心按照实践图书馆的工作方式提供服务，着重加强课外时间的服务，逐步实现7 ×24 小时开放，引入学生助管助教力量，并制定一系列服务规则标准和助教助管培训和管理模式，确保中心有序开放高效利用，同时建有包括投诉在内的各种监督机制保障服务质量［14］。

（4）实验室预定。针对师生提供预订服务，包括活动场地的预订和贵重设备的预约使用，通过网上预约，向本校、外校和社会开放，为创新提供平台支撑。

（5）产教融合。深入开展产教融合，引入产业资源与经验，共建联合实验室［15-16］。聘请企业导师参与学生课题指导、开设企业课程与讲座，开展企业项目对接、校企大创项目、毕业设计、校企交流专题活动等。

4 建设成效

经过近2 年的建设和改革，200 m2的3D 打印服务中心一期建设基本完成，50 余台各类型设备及线上云平台全面投入服务（见图5），切实有效地为学生的课程及创新实践提供了坚实的支撑保障。

图5 3D打印服务中心

（1）云平台实现订单式远程加工服务。通过3D打印云平台建设，将中心3D 打印服务延伸到线上，使服务变得更为便捷，扩大服务面。3D打印云平台开发建设已完成，2018 年下半年已全面投入服务（见图6），截止2018 年底累计访问量110 490 人次，累计线上递交并完成的3D 打印订单604 次，1 572 件打印成品。

图6 学生创新中心3D打印云平台

（2）集中保障院系专业课程。保障院系课程的实践制作环节，支撑包括全校工科大平台课程“工程导论”机动学院“设计与制造Ⅰ”“设计与制造Ⅱ”媒体与设计学院“产品设计”等20 余门课程。在全校必修课及通选课“制造实践A”“制造实践B”“工程实践A”“工程实践B”“工程认知实践”5 门基础实践课程中开设《3D打印》课程模块，完成打印服务。

（3）产教融合开设3D 打印实践课。与产业合作，开发紧跟科技前沿的校企课程，将3D 打印在产业中的应用引入到本科教学，2018 年中心联合企业光韵达医疗、先临三维、Altair等公司，新开设“3D技术创新实践”“设计视角下的三维数字化技术与应用”“3D结构优化与创新设计”3 门校企选修课，将产业一线的问题带入课堂，改善课程的实用性（见图7、8）。同时中心建设了“逆向工程与3D打印技术实践”双一流课程实践教学项目，加大学生开展探究性、研究性和自主性实践内容。

图7 校企选修课《3D技术创新实践》学生实践作品

图8 校企选修课《3D结构优化与创新设计》学生实践作品

（4）全天开放支持竞赛等创新活动。全天候开放、全年无休开放，每月服务学生300 人左右，全年服务各院系学生2 000 多余人，打印模型5 345件，打印加工工时超过40 000 h。根据数据统计，3D打印中心为全校10 余项大型赛事，20 余门课程提供打印服务，打印的学生来自全校包括机动、密院、电院、材料、医学院、空天、巴黎高科、船建、致远、设计学院、生医工、低碳学院、药学院、安泰学院14 个学院（见图9 ～11）。

图9 3D打印中心为全国Romaster机器人竞赛提供支持

图10 2018年春季学期3D打印中心打印模型件数统计

图11 2018年春季学期3D打印中心打印服务学生学院情况

5 创新成果

（1）创建首个高校3D 打印云平台，实现远程订单式加工服务。开创性的建设了国内首个高校3D 打印云平台http://3d. si. sjtu. edu. cn，实现线上递交模型一站式远程加工服务，线上线下联动快速响应，免除了现有实验室在时间和空间上对学生的阻碍，学生可随时随地，灵活自在地提交加工模型。服务中心根据学生订单迅速打印，智能提醒取件，学生不必来回现场等待，取件方便。

（2）通过模型库汇聚智力资源、保存创新火种。模型是智力创新的结晶，在3D 打印服务云平台中建设计模型库，积累大量的学生设计作品，实现智力资源的汇聚和存储，吸纳学生设计智慧，保存学校创新火种。而且，模型库都是在学生课程、创新设计中逐渐积累的，符合学生的需求，如一些常用件、标准件等，可方便学生重复采用。

在服务平台设计模型库中，学生之间可以进行3D模型分类交流、模型对换，网络服务平台对好的作品引导学生获取知识产权，进行创意分享交流及撮合服务。

（3）图书馆式的实践服务模式创新。3D 打印中心打破了以往服务模式单一，资源利用率低的情况，通过远程加工递交、设备工具借用、现场制作、模型共享、设备场地预约、7 ×24 全天开放，创新助教/助管培训和管理模式，建立起全新的以学生为中心的图书馆式的服务模式。学生服务人时数、设备使用效率都得到大幅度的提高，3D打印服务中心教学及服务年校内受益学生约5 000 人，年服务约4 万人时数。

（4）专门化常态化服务内容。3D 打印中心提供常态化专门化的加工和资源服务，形成包括3D 设计、3D扫描、3D 打印、加工、装配、咨询、预定、的多元化、全覆盖的服务内容体系。