3D打印云端協(xié)同 數(shù)字制造創(chuàng)新升級(jí)
——高校3D打印云平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

李翠超， 許穎梓， 金 曄， 徐 巍

（上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，上海 200240）

0 引 言

隨著新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，迫切需要新工科人才支撐，需要完善中國(guó)特色工程教育“新體系”，加快推進(jìn)我國(guó)從工程教育大國(guó)走向工程教育強(qiáng)國(guó)。結(jié)合國(guó)家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的戰(zhàn)略需求，對(duì)接新工科人才培養(yǎng)要求，學(xué)校以國(guó)家雙創(chuàng)示范基地建設(shè)為契機(jī)，在繼續(xù)保留并加強(qiáng)原有工程實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，改建“學(xué)生創(chuàng)新中心”，以學(xué)生為本，以創(chuàng)新為引領(lǐng)，探索改革實(shí)踐育人新模式，“學(xué)生創(chuàng)新中心”作為區(qū)域共享性實(shí)踐平臺(tái)，為工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供平臺(tái)保障支持。其中以3D打印中心為代表的工程服務(wù)中心是“學(xué)生創(chuàng)新中心”的重要組成部分，旨在為全校創(chuàng)新項(xiàng)目提供快速3D打印服務(wù)、知識(shí)共享和項(xiàng)目對(duì)接服務(wù)［1-4］。

同時(shí)，運(yùn)用互聯(lián)云平臺(tái)匯聚資源，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云端化創(chuàng)意設(shè)計(jì)、加工管理和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化軟件，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)向云端遷移，可有效改善加工服務(wù)的便利性，提高制造業(yè)的效率和效益。

1 需求分析和建設(shè)現(xiàn)狀

3D打印由于其具有省料、柔性強(qiáng)、無(wú)需組裝、快速成型復(fù)雜產(chǎn)品、適應(yīng)多樣化產(chǎn)品等特點(diǎn)，正逐步由一種新興技術(shù)發(fā)展成為主流技術(shù)，它能縮短研發(fā)周期，推動(dòng)產(chǎn)品多樣化，被廣泛運(yùn)用于航空、航天、船舶、汽車(chē)、醫(yī)療、文化、教育等領(lǐng)域，甚至日常生活中，都有著強(qiáng)大的社會(huì)需求［5］。在高校學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、課程項(xiàng)目制作、科創(chuàng)競(jìng)賽中，3D打印可以快速將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，非常受到學(xué)生的歡迎，也有著巨大的學(xué)生能力培養(yǎng)需求和打印服務(wù)需求。

3D打印中心的設(shè)立，是為全校學(xué)生提供3D打印服務(wù)，支持各院系課程、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等對(duì)3D打印的需求［5］。所建立的3D打印中心包含三維掃描區(qū)、3D設(shè)計(jì)建模區(qū)、3D打印加工區(qū)、產(chǎn)品展示區(qū)、活動(dòng)教室及交流討論區(qū)等部分，3D打印中心配置了足夠數(shù)量的設(shè)備、軟件和器具資源，覆蓋了FDM熔融沉積打印技術(shù)，SLA光固化打印技術(shù)、Polyjet聚合物噴射打印技術(shù)、SLM金屬選擇性激光融化打印技術(shù)等工業(yè)界主流的3D打印技術(shù)，并配備了拓?fù)鋬?yōu)化軟件Altair Solidthinking Inspire，工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Solidworks等，可以充分為全校實(shí)踐課程、學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)、各類(lèi)培訓(xùn)提供軟硬件支持［6-7］。

由于3D打印速度較慢，周期較長(zhǎng)，學(xué)生打印過(guò)程中如果來(lái)回現(xiàn)場(chǎng)等待加工特別費(fèi)時(shí)，服務(wù)效率較低［8-9］。因此，為了向全校學(xué)生提供高效便捷的3D打印服務(wù)，并支撐教學(xué)交流學(xué)習(xí)，3D打印中心改革傳統(tǒng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室或3D打印實(shí)驗(yàn)室模式，從頂層設(shè)計(jì)、服務(wù)模式等環(huán)節(jié)入手，創(chuàng)新理念、轉(zhuǎn)換模式，在實(shí)體3D打印中心的基礎(chǔ)上，建設(shè)國(guó)內(nèi)高校首個(gè)3D打印云平臺(tái)，通過(guò)云端提供一鍵打印遠(yuǎn)程遞交服務(wù)。

2 云平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

以學(xué)生為中心，以需求為導(dǎo)向，通過(guò)信息化提升加工服務(wù)效率，采用互聯(lián)網(wǎng)+3D打印策略，統(tǒng)籌規(guī)劃，資源共享，線上線下聯(lián)動(dòng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源高效最優(yōu)配置，提高服務(wù)能力［10-12］。

在實(shí)體3D打印中心基礎(chǔ)上，建立3D打印云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線3D打印、3D打印設(shè)計(jì)庫(kù)積累、簡(jiǎn)單交易、展示宣傳、資源共享。其中在線3D打印服務(wù)和積累3D打印設(shè)計(jì)庫(kù)是平臺(tái)最主要的兩項(xiàng)功能，平臺(tái)的建設(shè)框架見(jiàn)圖1。①學(xué)生可以通過(guò)3d云平臺(tái)線上遠(yuǎn)程遞交設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)打印，線上線下聯(lián)動(dòng)為各院系學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、競(jìng)賽、項(xiàng)目、科研產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等提供3D打印加工服務(wù)，幫助學(xué)生將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為原型［13-15］；②通過(guò)云平臺(tái)積累學(xué)生的3D模型設(shè)計(jì)庫(kù)，匯聚學(xué)生的創(chuàng)新智慧，進(jìn)行分享交流及撮合服務(wù)，支持學(xué)生作品與企業(yè)創(chuàng)投的接洽，促進(jìn)學(xué)生整體進(jìn)步。

圖1 云平臺(tái)建設(shè)框架

3D云平臺(tái)具體建設(shè)功能目標(biāo)包括：①遠(yuǎn)程遞交3D模型、下載模型；②能夠?qū)?D模型進(jìn)行自動(dòng)化轉(zhuǎn)碼，在線以3D形式展示，真實(shí)的預(yù)覽3D模型，并能設(shè)置修改三維模型參數(shù)；③實(shí)現(xiàn)3D打印在線報(bào)價(jià)、模型在線自動(dòng)檢測(cè)及修復(fù)；④提供3D打印有關(guān)的在線工具，供學(xué)生使用，如3D模型的格式轉(zhuǎn)換、模型在線修復(fù)；⑤便捷智能預(yù)約場(chǎng)地設(shè)備；⑥建立管理積分及下載購(gòu)買(mǎi)體系；能夠保護(hù)用戶知識(shí)產(chǎn)權(quán)；⑦建立PC、Mobile端兩套網(wǎng)站，適應(yīng)多種設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，不同端的用戶體驗(yàn)及內(nèi)容一致化；⑧考慮未來(lái)第三方合作，可以快速整合連接校內(nèi)外的其他3D系統(tǒng)；⑨考慮系統(tǒng)拓展能力，為未來(lái)會(huì)接入的微信服務(wù)號(hào)/APP等平臺(tái)預(yù)留接口。

3 云平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

3D打印云平臺(tái)的架構(gòu)由三大部分組成，包括基礎(chǔ)功能、在線3D打印服務(wù)和3D模型設(shè)計(jì)庫(kù)（見(jiàn)圖2）。

圖2 3D打印云平臺(tái)功能

3.1 基礎(chǔ)功能

（1）用戶管理。3D打印云平臺(tái)采用上海交通大學(xué)統(tǒng)一身份認(rèn)證jAccount賬號(hào)登錄。用戶類(lèi)型包括師生用戶、其他用戶。師生用戶使用jAccount賬號(hào)，可上傳下載模型，查看下載校內(nèi)外公開(kāi)的資料和資源，其他用戶只能瀏覽網(wǎng)站圖文信息，不能上傳、下載模型。

后臺(tái)管理，分為超級(jí)管理員和普通管理員，超級(jí)管理員是平臺(tái)系統(tǒng)頂級(jí)用戶，具有系統(tǒng)一切權(quán)限。超級(jí)管理員針對(duì)不同的模塊，創(chuàng)建并分配不同權(quán)限的普通管理員，普通管理員根據(jù)各自權(quán)限不同有各自的操作管理界面，以便于分工管理網(wǎng)站相應(yīng)內(nèi)容。普通管理員主要管理內(nèi)容包括：①查看、添加、修改、刪除用戶及屬性；②管理用戶上傳的模型，查看、新增、變更、刪除各種模型，模型分類(lèi)及展示；③用戶提交的打印模型查看、模型檢測(cè)及修復(fù)、狀態(tài)變更、消息通知等操作；④其他信息和資源發(fā)布管理，如學(xué)習(xí)資料、服務(wù)指南等，⑤審核預(yù)約申請(qǐng)等。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。平臺(tái)具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，可查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。如統(tǒng)計(jì)打印訂單量、平臺(tái)訪問(wèn)點(diǎn)擊量、材料使用，按材料顏色、材質(zhì)等分類(lèi)統(tǒng)計(jì)用量；統(tǒng)計(jì)模型下載情況等。通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可分析需求，有效配置資源采購(gòu)。

圖3 訪問(wèn)量統(tǒng)計(jì)和打印訂單量統(tǒng)計(jì)

（3）實(shí)驗(yàn)室預(yù)約。師生用戶通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)約，預(yù)約包括①師生預(yù)約設(shè)備/時(shí)間段（個(gè)人預(yù)約）；②教師預(yù)約課程或項(xiàng)目教學(xué)場(chǎng)地/時(shí)間段（團(tuán)隊(duì)預(yù)約）。預(yù)約用戶可在預(yù)約時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入3D打印中心進(jìn)行加工［16］。平臺(tái)有取消預(yù)約功能及用戶信用記錄和相應(yīng)的懲罰措施。

（4）資源共享。平臺(tái)提供豐富的服務(wù)資源，如3D打印工藝介紹、3D打印材料介紹、設(shè)備介紹等；針對(duì)學(xué)生常遇到的問(wèn)題，推出服務(wù)指南，提供建模常見(jiàn)問(wèn)題、3D打印機(jī)/三維掃描儀配套軟件下載、打印機(jī)操作使用說(shuō)明等。平臺(tái)提供學(xué)生常用的3D工具支持，包括3D文件格式轉(zhuǎn)換、3D模型自動(dòng)檢測(cè)、3D模型修復(fù)。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全。平臺(tái)建立多重防護(hù)墻，為系統(tǒng)安全保駕護(hù)航；采用服務(wù)器集群，多服務(wù)器，多備份，保證系統(tǒng)穩(wěn)定；平臺(tái)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)日志，保證用戶賬號(hào)安全，保護(hù)個(gè)人信息。

3.2 在線3D打印服務(wù)

（1）3D模型遠(yuǎn)程遞交打印。學(xué)生登錄云平臺(tái)，上傳需要打印的3D模型STL文件，并設(shè)置模型參數(shù)，提交打印任務(wù)申請(qǐng)，見(jiàn)圖4，管理員審核打印任務(wù)申請(qǐng)后，安排打印，打印完成后通知申請(qǐng)人。學(xué)生所提交的3D模型能夠在線以3D形式展示，真實(shí)的預(yù)覽（全屏預(yù)覽、縮放、旋轉(zhuǎn)等），見(jiàn)圖5。

圖4 遠(yuǎn)程3D打印申請(qǐng)

圖5 3D預(yù)覽模型（全屏預(yù)覽、縮放、旋轉(zhuǎn)）

在3D模型遠(yuǎn)程遞交打印申請(qǐng)時(shí)，必須設(shè)置的模型參數(shù)包括：材料、顏色、數(shù)量、填充率、縮放率，見(jiàn)圖6。還可以選擇設(shè)置打印后處理需求，如著色、打磨等。并選擇是否公開(kāi)模型，通過(guò)檢測(cè)的公開(kāi)模型則將積累至模型庫(kù)中。學(xué)生可對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行編輯修改刪除。

圖6 設(shè)置模型參數(shù)

（2）3D模型打印耗材估算。平臺(tái)建立在線耗材估算系統(tǒng)，學(xué)生上傳需要打印的模型，在設(shè)置了打印模型的材料、填充和大小等參數(shù)后，平臺(tái)通過(guò)3D模型體積計(jì)算、表面積計(jì)算、材料密度等對(duì)學(xué)生模型進(jìn)行打印耗材重量估算，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一個(gè)明晰的消耗積分展現(xiàn)。如圖，學(xué)生選PLA材料打印零件軸承座，在填充率100%情況下，經(jīng)平臺(tái)測(cè)算，所需耗材為13.13 g，需消耗197積分。在實(shí)物打印完成后，經(jīng)對(duì)比，平臺(tái)測(cè)算的耗材重量和實(shí)物重量基本一致。

學(xué)生在云平臺(tái)通過(guò)虛擬的積分進(jìn)行訂單打印，3D打印中心每學(xué)期初會(huì)統(tǒng)一向全校注冊(cè)學(xué)生發(fā)放一定數(shù)量的積分，學(xué)生也可通過(guò)上傳模型等獲取積分，具體的積分規(guī)則如下，運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

表1 云平臺(tái)積分規(guī)則

（3）在線模型檢測(cè)、修復(fù)。3D云平臺(tái)對(duì)所有上傳的文件，提供兩層檢查保障：平臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)和用戶自行檢測(cè)修復(fù)。3D模型上傳至平臺(tái)后，平臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)審核，并將模型存在的錯(cuò)誤提示給用戶。對(duì)于報(bào)錯(cuò)的模型，平臺(tái)提供免費(fèi)在線3D模型修復(fù)工具。在線檢測(cè)工具可以檢測(cè)模型是否存在破面，法線錯(cuò)誤，非流形點(diǎn)，交叉重疊面等問(wèn)題，常見(jiàn)的3D文件錯(cuò)誤檢測(cè)修復(fù)后，便轉(zhuǎn)化為可3D打印的文件，實(shí)在無(wú)法修復(fù)的文件聯(lián)系3D打印中心相關(guān)教師協(xié)助解決。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控提醒。平臺(tái)建立完善的消息推送模塊，推送途徑包括：短信通知和郵件通知。在學(xué)生打印訂單提交后，若審核通過(guò)平臺(tái)會(huì)發(fā)送消息通知告知學(xué)生；打印任務(wù)狀態(tài)包括“待打印、打印中、打印完成、訂單完成”，當(dāng)打印任務(wù)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，平臺(tái)也會(huì)向?qū)W生發(fā)出相關(guān)的消息通知，以便學(xué)生及時(shí)了解進(jìn)度。

平臺(tái)也具有常規(guī)網(wǎng)站的信息發(fā)布及管理功能，通過(guò)平臺(tái)發(fā)布3D打印中心及相關(guān)領(lǐng)域的信息，文字、圖片、視頻均可編輯、上傳發(fā)布、修改、刪除；站內(nèi)可進(jìn)行信息檢索，根據(jù)用戶權(quán)限，可上傳、下載學(xué)習(xí)資料。

3.3 3D模型設(shè)計(jì)庫(kù)建設(shè)

云平臺(tái)通過(guò)大量學(xué)生上傳的3D模型積累篩選后形成3D打印設(shè)計(jì)模型庫(kù)，匯聚學(xué)生的創(chuàng)新智慧，促進(jìn)分享交流和撮合（見(jiàn)圖7）。學(xué)生通過(guò)個(gè)人中心上傳3D模型數(shù)據(jù)，積累至模型庫(kù)中。模型庫(kù)支持不同類(lèi)別分類(lèi)展示，包括建筑結(jié)構(gòu)、人物角色、時(shí)尚飾品、競(jìng)賽作品等。可顯示瀏覽量、下載量、收藏喜歡量，可進(jìn)行瀏覽最多、下載最多、收藏最多、最新上傳排序。學(xué)生登錄平臺(tái)能按權(quán)限免積分或消耗一定積分下載模型庫(kù)中的3D模型。

圖7 3D云平臺(tái)模型庫(kù)

4 云平臺(tái)服務(wù)運(yùn)行模式

所建立的3D打印云平臺(tái)鏈接到上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心主頁(yè)和學(xué)生創(chuàng)新中心微信公眾號(hào)上，學(xué)生通過(guò)jAccount登錄訪問(wèn)云平臺(tái)。3D打印中心服務(wù)模式有以下幾種：

（1）基于標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件的遠(yuǎn)程遞交打印模式。此種模式要求學(xué)生通過(guò)上海交通大學(xué)jAccount賬號(hào)登錄云平臺(tái)，上傳標(biāo)準(zhǔn)的3D模型文件，文件格式可支持STL、3MF、OBJ、FPP等格式，主要以STL格式為主。并設(shè)置模型參數(shù)，提交打印任務(wù)申請(qǐng)。平臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)審核通過(guò)后，根據(jù)模型耗材扣除學(xué)生的積分，3D打印中心線下打印制作，制作完成后通知學(xué)生來(lái)領(lǐng)取產(chǎn)品。此種模式適用于學(xué)生不需要操作設(shè)備，打印要求不是很復(fù)雜，模型保密性要求不高的場(chǎng)合。典型的服務(wù)流程（見(jiàn)圖8）。

圖8 3D打印云平臺(tái)打印服務(wù)流程

學(xué)生提交模型后可以進(jìn)入后臺(tái)打印管理的界面，可以實(shí)時(shí)跟蹤訂單狀態(tài)。打印狀態(tài)改變，學(xué)生會(huì)收到郵件通知。

（2）現(xiàn)場(chǎng)加工打印模式。學(xué)生通過(guò)平臺(tái)預(yù)約設(shè)備后至現(xiàn)場(chǎng)加工打印，此種模式學(xué)生需要使用3D打印設(shè)備，要求學(xué)生必須具備設(shè)備操作資質(zhì)，學(xué)生必須參加3D打印中心定期舉辦的設(shè)備安全操作培訓(xùn)，或者參加過(guò)工程實(shí)踐、工程認(rèn)知實(shí)踐課程有關(guān)模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)或培訓(xùn)合格者方可獨(dú)立操作相應(yīng)設(shè)備。未經(jīng)培訓(xùn)或課程學(xué)習(xí)的學(xué)生，只有在教師/助教指導(dǎo)下操作相應(yīng)設(shè)備。服務(wù)流程見(jiàn)圖9。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)加工打印服務(wù)流程

5 云平臺(tái)建設(shè)成效

經(jīng)過(guò)前期充分廣泛調(diào)研，明確平臺(tái)開(kāi)發(fā)需求，并與魔猴網(wǎng)等企業(yè)合作，2018年建成學(xué)生創(chuàng)新中心3D云平臺(tái)3d.si.sjtu.edu.cn，作為3D打印中心面向全校師生服務(wù)的窗口，系統(tǒng)提供在線3D打印服務(wù)，以及3D模型的創(chuàng)作分享平臺(tái)。經(jīng)過(guò)2年運(yùn)行，截至2021年4月，平臺(tái)累計(jì)訪問(wèn)量31萬(wàn)人次，累計(jì)線上遞交并完成3D打印訂單4 951次，打印了1 000+打印成品，每年服務(wù)學(xué)生超過(guò)5 000人，服務(wù)人時(shí)超過(guò)40 000人時(shí)，服務(wù)的學(xué)院超過(guò)20個(gè)。3D打印云平臺(tái)有效支撐全校學(xué)生的課程、課外創(chuàng)新活動(dòng)、科技競(jìng)賽和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)等。

學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐需求大部分是在課后，為滿足學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐需求，3D打印中心及云平臺(tái)按照?qǐng)D書(shū)館工作方式提供服務(wù)，引入學(xué)生助管助教力量，更多課外時(shí)間在線、在現(xiàn)場(chǎng)，24 h不間斷打印，此模式受到學(xué)生的普遍歡迎。并制定了一系列服務(wù)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)和助教/助管培訓(xùn)和管理模式，確保中心有序開(kāi)放高效利用，同時(shí)建有包括投訴在內(nèi)的各種監(jiān)督機(jī)制保障服務(wù)質(zhì)量。

3D云平臺(tái)使線下服務(wù)延伸到線上，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為更多學(xué)生和教師熟悉和使用，極大擴(kuò)展了中心的影響力。云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)線上、線下服務(wù)的融合，提高了工作效率和用戶體驗(yàn)水平，吸引了一大批學(xué)生利用平臺(tái)完成各類(lèi)創(chuàng)新活動(dòng)和競(jìng)賽。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)3D打印云平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，將打印加工服務(wù)由線下延伸到線上，使得全校學(xué)生對(duì)制造服務(wù)有更好的可達(dá)性，可以更快滿足制件需求，提高了創(chuàng)新實(shí)踐工作效率，同時(shí)模型的共享交流也給學(xué)生很大的幫助，啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生更多創(chuàng)意，輸出更優(yōu)質(zhì)的作品。

未來(lái)平臺(tái)將進(jìn)行系統(tǒng)拓展，快速整合連接校內(nèi)外的其他3D系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)智能化管理，通過(guò)平臺(tái)對(duì)3D打印設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)3D模型進(jìn)行智能云切片和云加密服務(wù)，以及智能調(diào)配打印任務(wù)等。

以此為原型，不斷完善，可推動(dòng)成立一批在線協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)互聯(lián)共享、分布式制造的增材制造云平臺(tái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整合資源，構(gòu)建設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與供應(yīng)鏈資源有效組織的協(xié)同制造體系，開(kāi)展用戶個(gè)性需求與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造精準(zhǔn)對(duì)接的規(guī)?；ㄖ?，為產(chǎn)業(yè)界的增材制造+互聯(lián)網(wǎng)提供有益經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物全面互聯(lián)。