論科技館3D打印的問題及解決方案

胡晉

【摘 要】3D打印作為一個熱點技術(shù)，近年來在科技館的展示越來越多，但是3D打印由于其技術(shù)局限性，在科技館展示遇到了一些問題，本文分析了3D打印在科技館展示中遇到問題：材料單一、打印時間長、體驗感差，并就打印時間長、體驗感差提出了相應(yīng)的解決方案。

【關(guān)鍵詞】科技館；3D打?。环桨?/p>

3D打印機（3D Printers）是近幾年來在打印行業(yè)出現(xiàn)的一個新興名詞，因為它的特點跟傳統(tǒng)打印機有點相似，所以稱它為“打印機”。而3D打印技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域里，它有另一個名稱“疾速成形技能”，又稱疾速原型制造（Rapid PrototypingManufacturing，簡稱RPM）技能。3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。[1]

3D 打印技術(shù)可以分為設(shè)計階段和打印階段，設(shè)計階段是指通過計算機軟件 ，例如 3dsmax、CAD 等 ，塑造模型本體 ，打印階段是指3D打印機把模型分解成無數(shù)個橫截面 ，最后利用快速成型機將一個個橫截面堆積成一個三維立體的模型 ，其材料可以是真實、形象的。例如 ：我們需要打印一個塑料材質(zhì)的香蕉 ，那么我們可以先在 3dsmax 里制作一個香蕉模型 ，然后再 3D 打印機里倒進塑料材質(zhì) ，然后通過打印機就可以把一個計算機里顯示的模型真實的打印出來。3D打印技術(shù)在越來越多的科技館得到不同程度的展示， 上?？萍拣^和中國科學(xué)技術(shù)館是最早對3D打印技術(shù)進行科學(xué)展示的兩家場館，隨著3D打印技術(shù)的興起，2013年內(nèi)，寧夏科技館、南京科技館、浙江省科技館、深圳市科學(xué)館紛紛推出了3D打印展示項目， 2015年湖南省科技館推出了3D打印展區(qū)，合肥科技館、四川科技館、遼寧省科技館也都推出了3D打印展項，大部分科技館采用的都是熔絲堆積型的3D打印機進行展示，僅有上海科技館還展出一臺全彩粉末三維打印機，湖南省科技館展示了一臺全彩紙質(zhì)打印機。

1 3D打印在科技館展示中遇到的問題

（1）材料單一，雖然目前3D打印可使用的材料有金屬、光敏樹脂、pla塑料、abs塑料、石膏粉末等，但是科技館作為相對封閉的環(huán)境，在通風(fēng)換氣條件較差，而且耗材價格，后續(xù)處理的復(fù)雜性也必須考慮，受此制約，科技館能選擇的材料空間相當(dāng)有限，因此大部分科技館采用的是pla塑料，這種材料較為經(jīng)濟實惠，粉末彩色打印機對環(huán)境的要求較高，后續(xù)處理較為復(fù)雜，湖南省科技館館采用的紙質(zhì)3D打印機，耗材便宜，對環(huán)境要求不高，缺陷是打印時間較粉末打印機更長，而且不能打印負(fù)責(zé)的內(nèi)陷結(jié)構(gòu)。

（2）打印時間長；以大部分科技館采用的的熔絲堆積型的3D打印機為例，打印不同產(chǎn)品的平均速度均在1.5-3厘米（垂至高度）/小時，完成后仍需要對成品進行一些處理，打印完成一個3—6cm的小擺件至少需要1到2小時，觀眾很難在展廳停留這么久，就為了打印一個3D打印的擺件，所以目前一些科技館的方式是向觀眾出售早已打印好的3D擺件，這樣觀眾的體驗感比較差。

（3）體驗感差，目前大部分科技館僅進行3D打印的演示，觀眾只能觀看打印的過程，觀眾無法體驗3D設(shè)計，3D打印的靈魂在于可以實現(xiàn)自己的創(chuàng)意，自己或在科技館的電腦上進行簡單處理，無法體驗到3D打印自己創(chuàng)意作品的快感，目前科技館展示3D打印的問題在于過于重視打印設(shè)備，不重視觀眾體驗[2]。

2 科技館3D打印問題解決方案

打印時間的材料主要是要依賴技術(shù)的進步，不是科技館需要考慮的重點問題，我認(rèn)為科技館需要解決的主要問題在于解決3D打印時間長，以及體驗感差的問題，解決這兩個問題的重點在于3D打印軟件平臺的設(shè)計，3D打印軟件平臺應(yīng)滿足以下條件：

2.1 工具界面友好、易上手

目前市面上的3D設(shè)計軟件過于專業(yè)，門檻太高，非專業(yè)人士難以掌握，而科技館面臨的群體主要是中小學(xué)生，所以必須采取一些容易掌握的方式，來鼓勵觀眾創(chuàng)造，能夠讓觀眾簡單、快速地創(chuàng)建能用3D打印機打印的3D模型，軟件界面應(yīng)層級較少，易于操作，即便是學(xué)習(xí)者根本不懂3D制圖，也能用最自然的交互方式，創(chuàng)造出自己想要的模型。目前常見的以下三種方式：一是通過一些模塊讓設(shè)計初學(xué)者快速創(chuàng)建和編輯一個3D模型。提供很多常用的3D模塊供用戶選擇，學(xué)生可以隨便拖動不同的模塊來“組裝”自己的3D模型。如果需要調(diào)整3D模型的大小、方向或顏色，也可以通過簡單的選擇或修改來完成；二是，給予觀眾一個基本的形狀，采用捏橡皮泥的方式，讓觀眾揉捏拉伸來創(chuàng)造模型；三是設(shè)置一些預(yù)裝包，如“汽車套件”等。當(dāng)你想設(shè)計汽車的時候，你可以從這個預(yù)裝包里面選擇適合汽車的“零件”，更輕松地設(shè)計一些像汽車一樣復(fù)雜的模型。

2.2 后期處理便捷、易于打印

在觀眾創(chuàng)造了模型后，需要在打印前對數(shù)據(jù)進行檢查，保證設(shè)計的模型可以順利打印出來，至少應(yīng)檢查設(shè)計的模型是否滿足3D打印的幾個特性：水密性、壁厚性、支撐性等。水密性：物體模型必須封閉；壁厚性：工程軟件以實體方式建模，模型都是有厚度，如果沒有厚度則無法打印，所以模型導(dǎo)出前應(yīng)檢查模型是否有厚度，一般情況下產(chǎn)品邊緣2mm以上比較容易打印；支撐性：選擇較大的面作為物體底部，這樣的支撐材料可以節(jié)省很多支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量避免支撐結(jié)構(gòu)，因為支撐材料在去除時會在模型上留下痕跡，而且去除的過程十分耗時。一般情況下超過45度的突出物都需要額外的支撐材料，實在避免不了要增加支撐的，可以自行在軟件中生成小圓柱或小方塊作為支撐結(jié)構(gòu)，方便后期處理。

2.3 管理方便

由于3D打印需要的時間較長，科技館的觀眾一般來科技館參觀只有半天到一天的時間，往往無法等到自己設(shè)計的樣品打印出來，很多觀眾因此放棄了體驗3D打印，要解決這一問題，只需要軟件的管理后臺加上物流發(fā)送的模塊即可，讓觀眾在設(shè)計好之后填寫好自己的住址、聯(lián)系方式，打印完成后由科技館通過物流發(fā)送到觀眾手中?，F(xiàn)在大部分3D打印機都配有攝像頭，還可以將模型的打印過程錄制下來，通過后臺發(fā)送給觀眾，讓枯燥的等待時間變得趣味十足。

對于科技館管理者而言，需要處理大量的觀眾數(shù)據(jù)，需要強大的后臺給予支持，才能滿足觀眾的參觀需求，管理后臺應(yīng)能對材料、設(shè)備、觀眾訂單、物流等進行管理，可以對模型制作的各個流程進行有效監(jiān)控。

要滿足觀眾對3D打印更深入學(xué)習(xí)的需求，可以就3D打印開設(shè)專門的課程，將其與創(chuàng)客教育、STEM教育結(jié)合，充分發(fā)揮3D打印創(chuàng)造力，我對3D打印在STEM教育中的應(yīng)用狀態(tài)進行了整理，得到了下表：

總的來說，3D打印作為一門新興技術(shù)成為科技館近幾年來的展示熱點是無可厚非的，但是要做軟件、教育活動進行支撐，才能展示好3D打印技術(shù)，滿足觀眾對3D打印技術(shù)的好奇。

【參考文獻】

[1]（美）Brian Evans.解析3D打印機：3D打印機的科學(xué)與藝術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2014.

[2]李青，王青.3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)，遠程教育雜志，2013（04）.endprint