基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D 打印課程沉浸式教學(xué)方法研究

張李超，郭強(qiáng)強(qiáng)

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 武漢 430074）

3D 打印是一種“從無(wú)到有”的增材制造方法，基于CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，使用液、粉、絲、片、板、塊等離散的材料逐層、逐區(qū)域疊加制造出具備任意復(fù)雜形貌特征的物體，已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意、模具、消費(fèi)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前在很多高校均開(kāi)展了關(guān)于3D 打印相關(guān)概念和前沿技術(shù)介紹的課程。作者也承擔(dān)了材料加工工程專業(yè)本科4 年級(jí)課程“3D 打印技術(shù)及應(yīng)用”的教學(xué)工作，在前些年的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)雖然引入了多媒體視頻、軟件實(shí)際操作、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)參觀等多種教學(xué)方式，但仍然存在以下問(wèn)題：

第一，3D 打印工藝類型繁多，在三維CAD 模型驅(qū)動(dòng)制造的內(nèi)涵下覆蓋多種成形原理與加工方式截然不同的制造方式，目前有近十種主流3D打印工藝，并且采用不同的材料堆積與能量輸送方式，學(xué)生難以在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)3D 打印工藝原理有一個(gè)完整而深刻的認(rèn)識(shí)。

第二，3D 打印操作流程復(fù)雜漫長(zhǎng)，絕大多數(shù)工業(yè)級(jí)設(shè)備價(jià)格昂貴，多數(shù)樹(shù)脂材料及粉末材料具有一定的安全性問(wèn)題，除價(jià)格低廉、操作快捷的桌面級(jí)FDM 設(shè)備外，學(xué)校難以給學(xué)生提供操作真實(shí)的工業(yè)級(jí)設(shè)備的機(jī)會(huì)，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際3D 打印過(guò)程的直觀感受，反而認(rèn)為各種似是而非的成形工藝沒(méi)有意義，興趣不濃。

隨著全球數(shù)字化和智能化時(shí)代的到來(lái)，整合多種新興技術(shù)的元宇宙、虛擬世界等廣泛應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面。當(dāng)前以元宇宙為代表的虛擬世界走進(jìn)教育領(lǐng)域并不斷引發(fā)教學(xué)改革和創(chuàng)新發(fā)展。為了讓學(xué)生充分體驗(yàn)和感受3D 打印不同工藝的整個(gè)加工流程，本文開(kāi)發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）的3D打印體驗(yàn)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研究了課程沉浸式教學(xué)方法，提高學(xué)生對(duì)3D 打印領(lǐng)域的研究熱情和對(duì)未知技術(shù)的認(rèn)知投入，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

1 基于VR 技術(shù)的3D 打印工藝過(guò)程模擬原理

1.1 基于VR 的沉浸式教學(xué)模式

VR 技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、人機(jī)交互等多種技術(shù)融合的一種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。VR 通過(guò)模擬和生成與現(xiàn)實(shí)世界相同的虛擬環(huán)境，利用傳感器、攝像頭等感知裝置與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，具有沉浸性、交互性以及構(gòu)想性等特點(diǎn)。如今，VR 在醫(yī)療、軍事、游戲以及教育等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著VR技術(shù)的大眾化，將VR 技術(shù)應(yīng)用于教育的應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。VR 在教育方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在構(gòu)建一個(gè)沉浸式的VR 交互式操作過(guò)程，以非常低的成本提供覆蓋多種3D打印工藝的虛擬實(shí)踐交互式操作過(guò)程，支持1 對(duì)1 培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，既保證了每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，又確保了學(xué)生的安全性，從而提高了教學(xué)質(zhì)量。

1.2 VR 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

VR 設(shè)備包括視覺(jué)顯示設(shè)備和交互設(shè)備。本文選用HTC 公司和Valve 聯(lián)合發(fā)布的VR 設(shè)備——HTC Vive 系統(tǒng)。HTC Vive 使用了LightHouse 定位系統(tǒng)，它由兩個(gè)內(nèi)設(shè)有紅外線LED 陣列和兩個(gè)轉(zhuǎn)軸互相垂直的可旋轉(zhuǎn)紅外激光發(fā)射器的基站組成。將兩個(gè)基站分別放置在操作空間（大于2×1.5m）的對(duì)角處即可實(shí)時(shí)感知Vive頭盔的位置與姿態(tài)，并同步更新頭盔內(nèi)置顯示裝置（2 個(gè)3.5 AMOLED顯示屏）視圖內(nèi)容，從而可以讓學(xué)生以第一人稱視角獲得置身于虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)。

為給學(xué)生接近真實(shí)的3D打印設(shè)備交互式操作體驗(yàn)，本VR 系統(tǒng)配備了兩只操控器手柄，用于感知手部動(dòng)作，從而可以讓學(xué)生自主地操作虛擬3D 打印設(shè)備。

2 基于VR 的3D 打印教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 軟件架構(gòu)

本教學(xué)系統(tǒng)基于Unity3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)，Unity3D是由Unity Technologies 開(kāi)發(fā)的一款能夠使用戶輕松創(chuàng)建有關(guān)3D視頻游戲、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)、建筑可視化展示等類型互動(dòng)內(nèi)容的游戲開(kāi)發(fā)引擎。針對(duì)3D打印課程教學(xué)需要，開(kāi)發(fā)了如下模塊。

場(chǎng)景資源。對(duì)于3D 打印場(chǎng)景中的打印機(jī)、零件模型以及實(shí)驗(yàn)室背景等，本文通過(guò)UG 等建模軟件或直接在程序中生成這些3D 模型，并編寫(xiě)Shader 著色器對(duì)模型上色，添加紋理貼圖等場(chǎng)景資源。對(duì)于VR 場(chǎng)景中音頻資源，本文收集了相關(guān)的資源文件，包括打印機(jī)運(yùn)行的聲音，平臺(tái)上升下降的聲音，噴頭移動(dòng)的聲音，UI 操作時(shí)的提示音以及打印完成的提示音。FDM打印機(jī)設(shè)備虛擬視圖如圖1 所示。

圖1 FDM 打印機(jī)設(shè)備

打印機(jī)邏輯。打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)可以分為打印時(shí)的運(yùn)動(dòng)和打印開(kāi)始和結(jié)束時(shí)移向中心和回到初始位置兩種。其中后者比較簡(jiǎn)單，只需使用物體移動(dòng)的函數(shù)即可。前者則需要進(jìn)行打印軌跡點(diǎn)的保存。對(duì)于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，與打印機(jī)噴頭運(yùn)動(dòng)相似。

打印機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，主要包括靜止（運(yùn)行）階段，冷卻階段，回到初始位置階段，預(yù)熱階段，預(yù)熱完成（開(kāi)始打印）階段，移動(dòng)到開(kāi)始打印的位置階段，調(diào)平及運(yùn)算階段，正在打印階段。這些狀態(tài)的切換有用戶可以強(qiáng)制進(jìn)行的，還有系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行的。有關(guān)模型移動(dòng)的階段都對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)熱、冷卻和調(diào)平及運(yùn)算階段通過(guò)迭代器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

用戶界面邏輯。所有的用戶界面都通過(guò)Unity 自帶的uGUI 模塊來(lái)創(chuàng)建。用戶界面包括歡迎界面，打印前的參數(shù)設(shè)置和成品模型預(yù)覽界面，打印實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示界面和打印機(jī)顯示屏上的顯示界面。用戶界面邏輯比較簡(jiǎn)單，用戶根據(jù)界面提供的按鈕和滑動(dòng)條等組件與打印機(jī)進(jìn)行交互操作。

2.2 柔性絲材的反向動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)

為提升系統(tǒng)的真實(shí)感，在3D 打印過(guò)程的模擬仿真中應(yīng)用了反向動(dòng)力學(xué)技術(shù)。以FDM 打印機(jī)為例，加工的材料是絲材，送絲機(jī)構(gòu)為柔性管狀結(jié)構(gòu)。為強(qiáng)化柔性管狀物體的仿真效果，進(jìn)行了基于反向動(dòng)力學(xué)的柔性變形效果仿真。

線纜和絲材的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為：一端為固定端（FDM 打印機(jī)底座、供料盤(pán)），另一端為自由端（由FDM 噴頭牽引運(yùn)動(dòng)）。在本文中，將上述柔性管狀物體設(shè)置為一系列相互連接約束的內(nèi)骨骼，外部進(jìn)行蒙皮操作使其符合線纜、絲材的外觀質(zhì)感。動(dòng)態(tài)確定打印過(guò)程中自由端的骨骼位置，然后再基于反向動(dòng)力學(xué)的原理計(jì)算與之連接的下一塊骨骼的位置和姿態(tài)，逐步迭代到固定端的骨骼。通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)影響管狀物體變形的部件的權(quán)重，可實(shí)現(xiàn)基本符合真實(shí)物理世界的線纜與絲材運(yùn)動(dòng)仿真。

3 沉浸式教學(xué)實(shí)踐

在實(shí)驗(yàn)室搭建好VR 的定位基站，即可讓學(xué)生體驗(yàn)基于VR 技術(shù)的沉浸式3D 打印加工過(guò)程教學(xué)。學(xué)生通過(guò)佩戴HTC Vive 頭盔和操控手柄，即可開(kāi)始對(duì)虛擬3D打印機(jī)進(jìn)行交互。以FDM 打印機(jī)為例，F(xiàn)DM 的操作流程包括打印材料的安裝、預(yù)熱噴頭和工作臺(tái)自動(dòng)調(diào)平、打印、冷卻、緊急停止、取件、模型支撐的去除等步驟。

實(shí)際的VR 場(chǎng)景教學(xué)示意如圖2 所示。場(chǎng)景中央是一臺(tái)FDM 打印機(jī)，右側(cè)有材料控制面板和打印機(jī)參數(shù)控制面板，學(xué)生通過(guò)HTC Vive 頭盔可以看到模擬的虛擬場(chǎng)景，通過(guò)手中的手柄遙感裝置操縱打印機(jī)控制面板，從而控制FDM 打印機(jī)打印模型。

圖2 3D 打印VR 教學(xué)示意

在本系統(tǒng)中，學(xué)生需點(diǎn)擊開(kāi)機(jī)按鈕，打印機(jī)將處在靜止（運(yùn)行）階段，此時(shí)可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、成品預(yù)覽、材料安裝，材料顏色更改等操作。當(dāng)學(xué)生安裝好材料才能開(kāi)始打印，安好材料并點(diǎn)擊打印按鈕，打印機(jī)進(jìn)入預(yù)熱階段，噴頭和平臺(tái)溫度分別加熱到指定溫度，狀態(tài)自行切換到移動(dòng)到開(kāi)始打印的位置階段，此時(shí)噴頭將進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)到平臺(tái)中心的位置之后，平臺(tái)開(kāi)始上升到規(guī)定高度。狀態(tài)自行切換到調(diào)平及運(yùn)算階段，大約等待5秒，進(jìn)行噴頭運(yùn)行軌跡的計(jì)算和平臺(tái)的調(diào)平。之后再自行切換到正在打印階段，此時(shí)打印機(jī)將開(kāi)始進(jìn)行模型的打印。直到模型打印完成，狀態(tài)將自行切換到回到初始位置階段，回到初始位置后，打印機(jī)狀態(tài)自行切換到冷卻階段，冷卻完成后切換到靜止（運(yùn)行）階段。在整個(gè)過(guò)程中都可以點(diǎn)擊停止按鈕，使打印機(jī)停止打印。

4 沉浸式教學(xué)效果

在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這種沉浸式教學(xué)模式可以極大地提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情，具備如下積極效果。

提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可交互式體驗(yàn)完整的3D 打印流程，學(xué)生的頭部、手部動(dòng)作均有實(shí)時(shí)反饋，仿佛真實(shí)地在操縱打印機(jī)進(jìn)行加工一般，并且中間耗費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的堆積加工過(guò)程可使用高倍率加速模擬，讓數(shù)小時(shí)的加工縮短到一分鐘內(nèi)，可非常深刻地體驗(yàn)到“生長(zhǎng)型”制造的原理，顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

強(qiáng)化了3D 打印工藝流程的概念。在本VR 系統(tǒng)軟件中，對(duì)工藝流程做了嚴(yán)格的合理性判斷，學(xué)生只有完成必需的操作后才可以進(jìn)入下一步操作，因而對(duì)不同3D 打印工藝流程的原理及具體過(guò)程印象明顯強(qiáng)化。

加深了對(duì)真實(shí)的3D 打印應(yīng)用場(chǎng)景的認(rèn)識(shí)。例如，學(xué)生通過(guò)在幾分鐘內(nèi)切換尺寸大小不同的設(shè)備（例如：加工臺(tái)面僅100mm的桌面級(jí)3D打印機(jī)，到2000mm 的工業(yè)級(jí)3D 打印設(shè)備）模型，以第一人稱視角操作會(huì)獲得非常震撼的體驗(yàn)，深刻認(rèn)識(shí)到3D打印并不僅僅是玩具，而可以是真正的國(guó)之重器。

5 結(jié)語(yǔ)

基于VR 技術(shù)的沉浸式教學(xué)模式在3D 打印課程中顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化了對(duì)多種不同工藝流程的認(rèn)識(shí)，在未來(lái)的教學(xué)模式中將會(huì)起到更重要的作用。