钱波 樊红日
摘要:将增强现实(AR)技术应用在增材制造(AM)技术实践教学中,可实现基于AR的数字化模型交互式设计、实时反馈式分层预览,以及面向增材制造工艺特点的沉浸式教学,特别是将AR技术应用在功能演示和展示上将直观呈现增材制造应用效果,便于学生融会贯通,提高实践教学的培养效果,提升教学培养的深度和广度。
关键词:增强现实技术,增材制造技术,实践教学,沉浸式教学
0 引言:
增强现实(Augmented Reality,简称AR),是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验[1]。增强现实技术,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加[2]。在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段[3,4]。增强现实提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息。由于增强现实技术的突出特点:①真实世界和虚拟世界的信息集成;②具有实时交互性[5];③是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。AR技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域[6]。因此为了加深提高增材制造技术在实践教学中的培养效果和培养深度[7],本文探讨利用增强现实的技术应用到增材制造技术的实践教学中,以期待能获得更大突破和有益的效果。
以增材制造技术为支撑的净近成形技术,可彻底解决常规加工中难以加工局部的难题,大幅度提高零件的可靠性和使用寿命,是传统去除式加工工艺的实质性突破[8]。AM 是集现代 CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料等技术领域的最新成果于一体的零件快速制造技术[9]。将增强现实技术引入增材制造专业的实践教学活动中,通过设计不同的显示、交互、互动及反馈环节,使学生在身临其境的环境中学习了解实践增材制造工艺,对成形过程和成形工艺建立直观多维度的触发式教学体系,可以使学生更好适应当今社会的需求与发展[10]。
1 总体教学应用规划
在增材制造教学实践中,传统的增材制造模型设计方法是设计方提供模型,然后利用多种增材制造工艺通过成形方法制造出样品,再将样品反馈给设计方,设计方再根据展示效果做出评估,再进一步优化,反复迭代,研制周期长。故为了加快迭代速度,在实践环节应采取“增强现实和3D打印” 结合的方式。
针对增材制造具体工艺,增强现实技术可有助于学生对制造工艺的理解达到身临其境的有益效果。利用当前较为成熟的三类增材制造工艺:金属材料增材制造工艺、高分子材料增材制造工艺、树脂材料增材制造工艺,结合三维逆向扫描技术,在基础知识讲解过程中,让学生充分利用增强现实技术了解这三类制造工艺的原理、设备组成、成形过程。增强现实技术可全程融入在模型设计-材料选择-工艺拟定-制造监控等整个环节中,提高该专业学生的创新和实践能力。
2 具体实施过程
为达到增强现实与增材制造的有机结合、提升增材制造课程的理论教学与实践教学效果,可通过以下几个方面分布实施:
2.1 建设面向增材制造的AR交互设计与在线反馈系统
建设一整套基于增强现实的面向增材制造的三维模型交互设计与用户在线反馈系统,该系统包括学生互动端、设计师端、服务器端、增强现实模型管理模块、后台信息管理模块。
其中增强现实展品模型管理模块分别连接到服务器端、学生设计师端和学生互动端,增强现实模型管理模块用于将设计的三维模型内容和形式转换为增强现实展品,同时进行三维模型的实时渲染和文字介绍、动画介绍、特点聚焦等,将学生所提出的问题和修改建议以及设计师的示范展示过程通过所述服务器端展现到所述学生设计师端和学生用户端。其原理图如下图所示:
2.2 建立一套增材制造设备硬件的虚拟系统
硬件是基础,为了在AR中直观呈现增材制造设备硬件,有必要建立一套设备硬件虚拟系统,在该系统中,学生可以利用AR看到设备的各个功能组成模块。具体为:面向金属打印设备,虚拟系统中包含有激光器、振镜、扩束器等光学元件,有送粉缸、工作缸、收粉缸、基板、铺粉刮刀、铺粉横梁等运动模块,有熔覆喷头、送丝喷头等送粉装置,有电子束发生器、偏转线圈等高能束发生装置,以及必要的实时测量和监测元件。总之在此虚拟系统中,需建立不同3D打印设备的硬件系统,并在系统中尽可能完善的模拟其工作过程和运动过程,以增强实践教学效果。
2.3 建设面向增材制造的AR工艺规划和工艺过程交互系统
在增材制造中,成形工艺的拟定和规划至关重要。对于不同应用材料,不同制造工艺,学生在初步实践中知识理解和掌握较为困难,因此可利用增强现实技术建立面向增材制造的工艺开发、工艺规划、成形过程的全景实时模拟、展现和交互,便于学生快速虚拟迭代不同工艺规划并快速预测工艺结果,在此基础上获得最优工艺。
在具体实施中,该交互系统包括三维模型输入端、材料输入端、工艺设定模块、设备硬件模块、零件打印过程模块、数据实时反馈模块。学生可在AR系统中导入三维模型,导入材料并设定材料属性,然后设定初始工艺,以及设定设备硬件参数。然后零件打印模块负责装载上述输入模块的信息,在计算机中仿真硬件各个运动模块的工作、能量输出模块的激光掃描、或加热喷头的运动以及传感器的实时监测等。由于材料在成形中呈现复杂的物理化学变化,特别是金属材料的增材制造其物理转换过程异常复杂,在该系统中呈现是非常困难以及计算规模庞大。因此为了简化系统,可以简单的几何尺度的层面增加来代表现实零件材料的物理化学变化。
3 结束语
把增强现实技术应用于增材制造专业的理论教学和实践教学中,从实践效果来看,加深了学生对增材制造领域技术的理解和认识,学生通过身临其境、多维互动、虚实结合的环境下学习增材制造技术,不仅很好地掌握了增材制造技术的基本原理,还充分认识了增材制造的优点及应用领域。学生通过视觉体验、多维感触参与从增材制造的产品设计、原型试制到批量生产的整个过程,不仅对增材化相关知识的范畴和深度增强,创新能力和实践能力提高了,值得在增材制造专业教学活动中进行大力推广。
参考文献:
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作者信息:
钱波,1979-12-18,男,民族汉,籍贯 湖北襄阳,博士研究生,副教授,毕业院校华中科技大学,专业材料加工工程,研究方向增材制造技术,工作单位上海工程技术大学