國家雙創(chuàng)示范基地中3D打印服務中心建設和服務模式探索

李翠超，付宇卓，徐 巍

（上海交通大學a.學生創(chuàng)新中心；b.教務處，上海200240）

0 引 言

為推動新舊動能轉(zhuǎn)換和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，促進我國由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，國家以大眾創(chuàng)新萬眾創(chuàng)業(yè)為支撐實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。作為首批入選國家雙創(chuàng)示范基地的上海交通大學，為加快創(chuàng)新人才培養(yǎng)，進一步推進創(chuàng)新教育與實踐的結(jié)合，在現(xiàn)有工程訓練中心的基礎上創(chuàng)建“學生創(chuàng)新中心”。學生創(chuàng)新中心在鞏固工程實踐教學的基礎上，著力打造創(chuàng)新能力訓練和創(chuàng)新孵化兩個平臺，向?qū)W生提供豐富的實踐訓練項目和專業(yè)化的創(chuàng)新空間［1-3］，創(chuàng)新能力訓練平臺中重點建設以3D 打印為代表的工程服務中心，為學生雙創(chuàng)提供開放便捷、全面周到的工程服務，支撐學生開展創(chuàng)新實踐、科技競賽和創(chuàng)業(yè)活動等。

1 3D打印服務現(xiàn)狀

隨著國家“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略推進，學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動日趨活躍，同時伴隨學校工程教育改革及工科平臺的深入，各專業(yè)課程中理論與實踐緊密結(jié)合的基于開放課題的課程項目不斷增多，學生自主的創(chuàng)新項目和科技競賽實踐也不斷增多，這些項目實施亟需一個學校的資源和加工公共服務平臺，以支持試驗嘗試和產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)化［4-5］。而3D打印，作為一種“自下而上”材料累加的制造方法，可以快速而準確地制造出復雜形狀的零件，可實現(xiàn)創(chuàng)意立刻轉(zhuǎn)化為原型，實現(xiàn)真正的“自由制造”，被越來越廣泛的運用于制造業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)學領域、航天科技領域甚至日常生活中［6］，在學生創(chuàng)新實踐中也深受學生的歡迎，有著巨大的打印服務需求。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)學校開設的多個課程和項目競賽都有產(chǎn)品制作的需求，包括面向工科平臺的“工程學導論”“設計與制造I”“設計與制造II”等基礎課程、機動學院“制造工藝”等專業(yè)課程以及學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、科創(chuàng)競賽等，對于想要把各種設計創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锂a(chǎn)品的學生來說，3D打印無疑是實現(xiàn)創(chuàng)意快速轉(zhuǎn)化最為有效的一種方式。在課程項目開展等各種場合調(diào)研過學生的需求期望，學生有著非常強烈的3D 打印加工服務需求。但目前各學院及原工程訓練中心的大部分3D打印實驗室單純只為該實驗室的課程服務，服務模式單一、開放度不高、設備利用率低，沒有服務全校的機制，而且，打印設備數(shù)量和種類十分有限，打印能力不足，特別是在學生結(jié)課時，排隊打印，十分緊張，等待時間也長，有巨大的需求［7-8］。調(diào)研中學生表示在大量課題制作中，都想更多采用3D 打印件，但是由于難于方便地獲得，只能改為網(wǎng)上高成本自購，費時費力費錢，十分不利于學生創(chuàng)新和個人興趣發(fā)展。因而有必要搭建一個開放的3D打印服務平臺，提供資源和3D打印加工服務保障。

2 建設目標和方案

2.1 建設目標和總體方案

3D打印服務中心的建設，是為全校師生提供各類材質(zhì)的3D打印服務，幫助全校各專業(yè)學生實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計與制造，滿足學生課程、創(chuàng)新實踐及科研產(chǎn)品開發(fā)中的大量3D 打印需求。同時，通過建設線上3D打印服務云平臺，實現(xiàn)在線一鍵打印，將加工服務延伸到線上，并積累學生3D設計作品形成線上3D設計庫，匯聚學生的創(chuàng)新智慧。

以學生需求為出發(fā)點調(diào)研，進行合理的空間功能規(guī)劃，優(yōu)化改造場地設施，改善實踐活動環(huán)境，配置相應的設備、軟件和器具資源，組織安排加工能力，建設服務云平臺，同時輔于靈活高效的開放運行管理機制，最終形成一個可靈活獲取打印加工服務，快速便捷為學生的實踐創(chuàng)新提供支撐保障的服務平臺。

2.2 基于最快服務路徑的區(qū)劃布置

通過研究功能需求，以能開展高效服務為目的，進行場地空間規(guī)劃，考慮加工工藝流程和操作維護空間，規(guī)劃最佳的服務路徑，設計合理的平面布局，配設相應的服務環(huán)節(jié)，以便更好地開展服務，方便使用。3D 打印服務中心按照3D打印從逆向工程/原創(chuàng)概念、三維模型設計、3D打印制作、后處理及組裝到集成調(diào)試的完整工程實踐流程，分成了教學區(qū)、三維掃描區(qū)、打印服務區(qū)、接待區(qū)、后處理區(qū)幾部分（見圖1），整個布局為核心四射式，以各空間都需要用到的公共區(qū)域為核心，各部分空間相對獨立，又能相互協(xié)調(diào)，以高效服務為目的。

圖1 3D打印中心場地功能規(guī)劃圖

2.3 兼顧需求多樣性和重點產(chǎn)能的設備配置

在設備配置上，在3D打印方面，新建不同技術的3D打印設備，擴大常規(guī)設備能力，為學生提供多種材料、寬范圍尺寸、高精度的打印加工。實施中深入調(diào)研學生的需求，以及不同技術的應用范圍、使用效益，比較分析確定多輪購置計劃。①改善現(xiàn)有FDM 熔融沉積打印機；②逐步購置SLA 光固化打印機、Polyjet 聚合物噴射打印機、SLS選擇性激光燒結(jié)打印機、SLM金屬選擇性激光融化打印機等設備，實現(xiàn)各種高穩(wěn)定性和寬適用性的3D打印技術全覆蓋。

原來的工程訓練中心在FDM 領域已經(jīng)有了一些教學和加工服務基礎，但在其他技術上還基本空白。FDM打印技術工藝簡單，易操作，成本低，非常適合辦公環(huán)境，適合學生開展創(chuàng)新，因此需要補充各類打印尺寸的精良FDM 打印機，增大產(chǎn)能。FDM 技術雖然成本低，但成型精度相對光固化等其他方式偏低，光固化打印技術非常適合制作精度要求高，結(jié)構(gòu)復雜及精細原型，表面質(zhì)量很好，是工業(yè)應用最廣泛、技術最成熟的打印技術之一，因此有必要引入系列光固化技術的打印設備。

在逆向工程方面，在目前的桌面式掃描儀基礎上，購置涵蓋工業(yè)測量、人體掃描、醫(yī)學相關掃描等領域的高精度高質(zhì)量的掃描設備及相應的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

在軟件配置上，為了提高學生創(chuàng)新實踐中的產(chǎn)品設計質(zhì)量，充分發(fā)揮3D 打印在異形和中空復雜零件制造中的優(yōu)勢，引入最新拓撲優(yōu)化和工業(yè)設計軟件Altair Solidthinking Inspire，拓展學生設計空間，對機械產(chǎn)品進行輕量化和美化設計，支撐實踐教學和創(chuàng)新設計制作。

綜上，3D打印中心第一期建設打印設備及軟件配套見表1，設備及軟件配置已經(jīng)形成一定規(guī)模，能充分開展最大打印尺寸450 mm ×450 mm ×350 mm，材質(zhì)有塑料、光敏樹脂、透明材料、類橡膠材料、剛性不透明材料等10 余種材料的打印服務。

2.4 3D打印云平臺

針對3D打印快速原型實現(xiàn)技術，在實體3D打印服務中心基礎上，為了向全校學生提供高效便捷的3D打印服務，借助信息與網(wǎng)絡技術，以“互聯(lián)網(wǎng)+3D 打印”，將相關硬軟件集合起來，建成全新的遠程遞交和模型展示的3D 打印云平臺，實現(xiàn)線上遠程遞交設計文件獲取加工產(chǎn)品［9-10］。學生可使用校內(nèi)jAccount賬號登錄平臺，實現(xiàn)在線3D打印、遠程遞交模型、3D 打印設計庫積累、模型交流分享、展示宣傳、資源共享等功能。

遠程提交打印時，學生可個性化定制，選打印材料、顏色、精度、打印機種類等，平臺對模型進行檢測審核，并根據(jù)模型的體積進行耗材估算，審核通過后，由線下3D打印服務中心人員備料并開始打印，完成后通過郵件、短信或微信等方式通知學生領取，可進行訂單的實時跟蹤。并支持發(fā)布企業(yè)項目，把企業(yè)的實際問題需求引入學生創(chuàng)新項目，支持學生作品與創(chuàng)投的接洽，促進項目孵化。平臺的框架見圖2。

表1 3D打印中心一期建設打印設備及軟件配套

圖2 3D打印云平臺框架

3 專業(yè)化服務模式探索

3.1 服務內(nèi)容拓展

為滿足全校學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)對實驗嘗試、產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)化、硬件支持的需求，構(gòu)建3D 打印服務體系，針對各環(huán)節(jié)提供精細化的服務，包括建模設計、三維掃描、逆向工程、3D打印、后處理、設計優(yōu)化、線上提交、模型分享等，見圖3。

圖3 3D打印服務中心服務內(nèi)容

（1）課程教學實踐支持。為專門3D 打印課程提供實踐支持，包括中心/院系專門的3D 打印課程教學，如金工實習、工程實踐、工程認知實踐等，以及各院系課程的實踐制作，如工程學導論、設計與制造系列課、課程設計、畢業(yè)設計的3D打印環(huán)節(jié)。

（2）3D打印加工服務。從逆向工程/三維掃描、3D設計、3D打印、后處理及組裝到集成調(diào)試，在學生工程實踐流程各個環(huán)節(jié)中都提供相應的服務。

（3）技術咨詢及教育培訓服務。為學生的創(chuàng)新實踐活動提供技術指導與保障服務，為大、中、小學師生及企業(yè)提供課程培訓。

（4）基本測試支持。主要包括逆向工程，作品的掃描測量，模型的可打印測試等。

3.2 運行服務模式創(chuàng)新

創(chuàng)新實驗室管理運行模式，圍繞對學生的服務及最大程度滿足學生的需求，從實驗室場地及設備預約、線上及線下加工服務流程、設備及耗材使用規(guī)定、安全保障體系、崗位職責等方面，建立一套合理、高效、可持續(xù)的服務流程，保障學生創(chuàng)新實踐的開展［11-13］。

（1）遠程加工服務。通過“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”服務云平臺，學生根據(jù)需求和興趣，個性化選擇參數(shù)，遠程提交設計模型文件，由3D 打印中心提供制作打印，制作好后通知學生領取，簡單便捷。典型的通過3D打印服務云平臺開展服務的流程見圖4。

圖4 遠程加工服務流程

（2）設計庫資源共享及撮合服務。利用3D 打印云平臺，積累學生大量的設計作品，形成設計模型庫，積累設計庫并展示，模型庫分為標準件和創(chuàng)新作品，標準件庫公開方便學生直接調(diào)用，創(chuàng)新作品加強促進交流提升。平臺通過積分鼓勵學生分享模型，匯聚學生的創(chuàng)新智慧，進行創(chuàng)意分享交流及撮合服務，支持學生作品與企業(yè)創(chuàng)投的接洽，積極促成學生創(chuàng)業(yè)活動。

（3）7 ×24 小時全天開放。學生創(chuàng)新實踐需求大部分是在課后，為滿足學生創(chuàng)新實踐的需求，3D 打印中心按照實踐圖書館的工作方式提供服務，著重加強課外時間的服務，逐步實現(xiàn)7 ×24 小時開放，引入學生助管助教力量，并制定一系列服務規(guī)則標準和助教助管培訓和管理模式，確保中心有序開放高效利用，同時建有包括投訴在內(nèi)的各種監(jiān)督機制保障服務質(zhì)量［14］。

（4）實驗室預定。針對師生提供預訂服務，包括活動場地的預訂和貴重設備的預約使用，通過網(wǎng)上預約，向本校、外校和社會開放，為創(chuàng)新提供平臺支撐。

（5）產(chǎn)教融合。深入開展產(chǎn)教融合，引入產(chǎn)業(yè)資源與經(jīng)驗，共建聯(lián)合實驗室［15-16］。聘請企業(yè)導師參與學生課題指導、開設企業(yè)課程與講座，開展企業(yè)項目對接、校企大創(chuàng)項目、畢業(yè)設計、校企交流專題活動等。

4 建設成效

經(jīng)過近2 年的建設和改革，200 m2的3D 打印服務中心一期建設基本完成，50 余臺各類型設備及線上云平臺全面投入服務（見圖5），切實有效地為學生的課程及創(chuàng)新實踐提供了堅實的支撐保障。

圖5 3D打印服務中心

（1）云平臺實現(xiàn)訂單式遠程加工服務。通過3D打印云平臺建設，將中心3D 打印服務延伸到線上，使服務變得更為便捷，擴大服務面。3D打印云平臺開發(fā)建設已完成，2018 年下半年已全面投入服務（見圖6），截止2018 年底累計訪問量110 490 人次，累計線上遞交并完成的3D 打印訂單604 次，1 572 件打印成品。

圖6 學生創(chuàng)新中心3D打印云平臺

（2）集中保障院系專業(yè)課程。保障院系課程的實踐制作環(huán)節(jié)，支撐包括全校工科大平臺課程“工程導論”機動學院“設計與制造Ⅰ”“設計與制造Ⅱ”媒體與設計學院“產(chǎn)品設計”等20 余門課程。在全校必修課及通選課“制造實踐A”“制造實踐B”“工程實踐A”“工程實踐B”“工程認知實踐”5 門基礎實踐課程中開設《3D打印》課程模塊，完成打印服務。

（3）產(chǎn)教融合開設3D 打印實踐課。與產(chǎn)業(yè)合作，開發(fā)緊跟科技前沿的校企課程，將3D 打印在產(chǎn)業(yè)中的應用引入到本科教學，2018 年中心聯(lián)合企業(yè)光韻達醫(yī)療、先臨三維、Altair等公司，新開設“3D技術創(chuàng)新實踐”“設計視角下的三維數(shù)字化技術與應用”“3D結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新設計”3 門校企選修課，將產(chǎn)業(yè)一線的問題帶入課堂，改善課程的實用性（見圖7、8）。同時中心建設了“逆向工程與3D打印技術實踐”雙一流課程實踐教學項目，加大學生開展探究性、研究性和自主性實踐內(nèi)容。

圖7 校企選修課《3D技術創(chuàng)新實踐》學生實踐作品

圖8 校企選修課《3D結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新設計》學生實踐作品

（4）全天開放支持競賽等創(chuàng)新活動。全天候開放、全年無休開放，每月服務學生300 人左右，全年服務各院系學生2 000 多余人，打印模型5 345件，打印加工工時超過40 000 h。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，3D打印中心為全校10 余項大型賽事，20 余門課程提供打印服務，打印的學生來自全校包括機動、密院、電院、材料、醫(yī)學院、空天、巴黎高科、船建、致遠、設計學院、生醫(yī)工、低碳學院、藥學院、安泰學院14 個學院（見圖9 ～11）。

圖9 3D打印中心為全國Romaster機器人競賽提供支持

圖10 2018年春季學期3D打印中心打印模型件數(shù)統(tǒng)計

圖11 2018年春季學期3D打印中心打印服務學生學院情況

5 創(chuàng)新成果

（1）創(chuàng)建首個高校3D 打印云平臺，實現(xiàn)遠程訂單式加工服務。開創(chuàng)性的建設了國內(nèi)首個高校3D 打印云平臺http://3d. si. sjtu. edu. cn，實現(xiàn)線上遞交模型一站式遠程加工服務，線上線下聯(lián)動快速響應，免除了現(xiàn)有實驗室在時間和空間上對學生的阻礙，學生可隨時隨地，靈活自在地提交加工模型。服務中心根據(jù)學生訂單迅速打印，智能提醒取件，學生不必來回現(xiàn)場等待，取件方便。

（2）通過模型庫匯聚智力資源、保存創(chuàng)新火種。模型是智力創(chuàng)新的結(jié)晶，在3D 打印服務云平臺中建設計模型庫，積累大量的學生設計作品，實現(xiàn)智力資源的匯聚和存儲，吸納學生設計智慧，保存學校創(chuàng)新火種。而且，模型庫都是在學生課程、創(chuàng)新設計中逐漸積累的，符合學生的需求，如一些常用件、標準件等，可方便學生重復采用。

在服務平臺設計模型庫中，學生之間可以進行3D模型分類交流、模型對換，網(wǎng)絡服務平臺對好的作品引導學生獲取知識產(chǎn)權(quán)，進行創(chuàng)意分享交流及撮合服務。

（3）圖書館式的實踐服務模式創(chuàng)新。3D 打印中心打破了以往服務模式單一，資源利用率低的情況，通過遠程加工遞交、設備工具借用、現(xiàn)場制作、模型共享、設備場地預約、7 ×24 全天開放，創(chuàng)新助教/助管培訓和管理模式，建立起全新的以學生為中心的圖書館式的服務模式。學生服務人時數(shù)、設備使用效率都得到大幅度的提高，3D打印服務中心教學及服務年校內(nèi)受益學生約5 000 人，年服務約4 萬人時數(shù)。

（4）專門化常態(tài)化服務內(nèi)容。3D 打印中心提供常態(tài)化專門化的加工和資源服務，形成包括3D 設計、3D掃描、3D 打印、加工、裝配、咨詢、預定、的多元化、全覆蓋的服務內(nèi)容體系。

6 存在不足及展望

3D打印服務中心持續(xù)開放運行會帶來的更多設備故障和維修，而材料成本又約束了高精度設備的使用，使得打印承載能力達不到預期。全天開放服務模式方便了學生，但帶來了運行管理的難題。中心單靠教師服務，人手不足，嘗試實施學生助管值班制度，但助管流動性大，設備操作水平參差不齊，仍難以滿足開放需求。

一方面需廣泛深入調(diào)研，創(chuàng)新助教、助管培訓和管理模式，探索既保證安全又滿足全天開放需求的學生自主管理之路，以提高服務效率。同時整合多方力量，圍繞課程、科創(chuàng)競賽、產(chǎn)學協(xié)同，擴大和深化建設，提升實驗室管理水平，形成可持續(xù)發(fā)展的運行模式，是3D打印服務中心未來重點提升方向。