3D打印云端协同 数字制造创新升级——高校3D打印云平台建设实践

李翠超， 许颖梓， 金 晔， 徐 巍

（上海交通大学学生创新中心，上海 200240）

0 引 言

随着新经济的快速发展，迫切需要新工科人才支撑，需要完善中国特色工程教育“新体系”，加快推进我国从工程教育大国走向工程教育强国。结合国家“大众创业、万众创新”的战略需求，对接新工科人才培养要求，学校以国家双创示范基地建设为契机，在继续保留并加强原有工程实践教学的基础上，改建“学生创新中心”，以学生为本，以创新为引领，探索改革实践育人新模式，“学生创新中心”作为区域共享性实践平台，为工程创新人才培养提供平台保障支持。其中以3D打印中心为代表的工程服务中心是“学生创新中心”的重要组成部分，旨在为全校创新项目提供快速3D打印服务、知识共享和项目对接服务［1-4］。

同时，运用互联云平台汇聚资源，利用互联网平台的云端化创意设计、加工管理和运营优化软件，实现业务系统向云端迁移，可有效改善加工服务的便利性，提高制造业的效率和效益。

1 需求分析和建设现状

3D打印由于其具有省料、柔性强、无需组装、快速成型复杂产品、适应多样化产品等特点，正逐步由一种新兴技术发展成为主流技术，它能缩短研发周期，推动产品多样化，被广泛运用于航空、航天、船舶、汽车、医疗、文化、教育等领域，甚至日常生活中，都有着强大的社会需求［5］。在高校学生创新实践、课程项目制作、科创竞赛中，3D打印可以快速将创意转化为产品，非常受到学生的欢迎，也有着巨大的学生能力培养需求和打印服务需求。

3D打印中心的设立，是为全校学生提供3D打印服务，支持各院系课程、学生创新实践、竞赛、毕业设计、科研产品开发等对3D打印的需求［5］。所建立的3D打印中心包含三维扫描区、3D设计建模区、3D打印加工区、产品展示区、活动教室及交流讨论区等部分，3D打印中心配置了足够数量的设备、软件和器具资源，覆盖了FDM熔融沉积打印技术，SLA光固化打印技术、Polyjet聚合物喷射打印技术、SLM金属选择性激光融化打印技术等工业界主流的3D打印技术，并配备了拓扑优化软件Altair Solidthinking Inspire，工业设计软件Solidworks等，可以充分为全校实践课程、学生课外实践活动、各类培训提供软硬件支持［6-7］。

由于3D打印速度较慢，周期较长，学生打印过程中如果来回现场等待加工特别费时，服务效率较低［8-9］。因此，为了向全校学生提供高效便捷的3D打印服务，并支撑教学交流学习，3D打印中心改革传统的开放实验室或3D打印实验室模式，从顶层设计、服务模式等环节入手，创新理念、转换模式，在实体3D打印中心的基础上，建设国内高校首个3D打印云平台，通过云端提供一键打印远程递交服务。

2 云平台建设目标

以学生为中心，以需求为导向，通过信息化提升加工服务效率，采用互联网+3D打印策略，统筹规划，资源共享，线上线下联动服务，实现资源高效最优配置，提高服务能力［10-12］。

在实体3D打印中心基础上，建立3D打印云服务平台，实现在线3D打印、3D打印设计库积累、简单交易、展示宣传、资源共享。其中在线3D打印服务和积累3D打印设计库是平台最主要的两项功能，平台的建设框架见图1。①学生可以通过3d云平台线上远程递交设计模型实现打印，线上线下联动为各院系学生创新实践、竞赛、项目、科研产品开发等提供3D打印加工服务，帮助学生将创意转化为原型［13-15］；②通过云平台积累学生的3D模型设计库，汇聚学生的创新智慧，进行分享交流及撮合服务，支持学生作品与企业创投的接洽，促进学生整体进步。

图1 云平台建设框架

3D云平台具体建设功能目标包括：①远程递交3D模型、下载模型；②能够将3D模型进行自动化转码，在线以3D形式展示，真实的预览3D模型，并能设置修改三维模型参数；③实现3D打印在线报价、模型在线自动检测及修复；④提供3D打印有关的在线工具，供学生使用，如3D模型的格式转换、模型在线修复；⑤便捷智能预约场地设备；⑥建立管理积分及下载购买体系；能够保护用户知识产权；⑦建立PC、Mobile端两套网站，适应多种设备进行访问，不同端的用户体验及内容一致化；⑧考虑未来第三方合作，可以快速整合连接校内外的其他3D系统；⑨考虑系统拓展能力，为未来会接入的微信服务号/APP等平台预留接口。

3 云平台建设实践

3D打印云平台的架构由三大部分组成，包括基础功能、在线3D打印服务和3D模型设计库（见图2）。

图2 3D打印云平台功能

3.1 基础功能

（1）用户管理。3D打印云平台采用上海交通大学统一身份认证jAccount账号登录。用户类型包括师生用户、其他用户。师生用户使用jAccount账号，可上传下载模型，查看下载校内外公开的资料和资源，其他用户只能浏览网站图文信息，不能上传、下载模型。

后台管理，分为超级管理员和普通管理员，超级管理员是平台系统顶级用户，具有系统一切权限。超级管理员针对不同的模块，创建并分配不同权限的普通管理员，普通管理员根据各自权限不同有各自的操作管理界面，以便于分工管理网站相应内容。普通管理员主要管理内容包括：①查看、添加、修改、删除用户及属性；②管理用户上传的模型，查看、新增、变更、删除各种模型，模型分类及展示；③用户提交的打印模型查看、模型检测及修复、状态变更、消息通知等操作；④其他信息和资源发布管理，如学习资料、服务指南等，⑤审核预约申请等。

（2）数据统计。平台具有数据统计功能，可查看统计数据，见图3。如统计打印订单量、平台访问点击量、材料使用，按材料颜色、材质等分类统计用量；统计模型下载情况等。通过大数据统计，可分析需求，有效配置资源采购。

图3 访问量统计和打印订单量统计

（3）实验室预约。师生用户通过平台进行实验室预约，预约包括①师生预约设备/时间段（个人预约）；②教师预约课程或项目教学场地/时间段（团队预约）。预约用户可在预约时间段内进入3D打印中心进行加工［16］。平台有取消预约功能及用户信用记录和相应的惩罚措施。

（4）资源共享。平台提供丰富的服务资源，如3D打印工艺介绍、3D打印材料介绍、设备介绍等；针对学生常遇到的问题，推出服务指南，提供建模常见问题、3D打印机/三维扫描仪配套软件下载、打印机操作使用说明等。平台提供学生常用的3D工具支持，包括3D文件格式转换、3D模型自动检测、3D模型修复。

（5）网络安全。平台建立多重防护墙，为系统安全保驾护航；采用服务器集群，多服务器，多备份，保证系统稳定；平台实时记录系统日志，保证用户账号安全，保护个人信息。

3.2 在线3D打印服务

（1）3D模型远程递交打印。学生登录云平台，上传需要打印的3D模型STL文件，并设置模型参数，提交打印任务申请，见图4，管理员审核打印任务申请后，安排打印，打印完成后通知申请人。学生所提交的3D模型能够在线以3D形式展示，真实的预览（全屏预览、缩放、旋转等），见图5。

图4 远程3D打印申请

图5 3D预览模型（全屏预览、缩放、旋转）

在3D模型远程递交打印申请时，必须设置的模型参数包括：材料、颜色、数量、填充率、缩放率，见图6。还可以选择设置打印后处理需求，如着色、打磨等。并选择是否公开模型，通过检测的公开模型则将积累至模型库中。学生可对模型参数进行编辑修改删除。

图6 设置模型参数

（2）3D模型打印耗材估算。平台建立在线耗材估算系统，学生上传需要打印的模型，在设置了打印模型的材料、填充和大小等参数后，平台通过3D模型体积计算、表面积计算、材料密度等对学生模型进行打印耗材重量估算，进而转化为一个明晰的消耗积分展现。如图，学生选PLA材料打印零件轴承座，在填充率100%情况下，经平台测算，所需耗材为13.13 g，需消耗197积分。在实物打印完成后，经对比，平台测算的耗材重量和实物重量基本一致。

学生在云平台通过虚拟的积分进行订单打印，3D打印中心每学期初会统一向全校注册学生发放一定数量的积分，学生也可通过上传模型等获取积分，具体的积分规则如下，运行中可根据实际情况进行调整。

表1 云平台积分规则

（3）在线模型检测、修复。3D云平台对所有上传的文件，提供两层检查保障：平台自动检测和用户自行检测修复。3D模型上传至平台后，平台自动检测审核，并将模型存在的错误提示给用户。对于报错的模型，平台提供免费在线3D模型修复工具。在线检测工具可以检测模型是否存在破面，法线错误，非流形点，交叉重叠面等问题，常见的3D文件错误检测修复后，便转化为可3D打印的文件，实在无法修复的文件联系3D打印中心相关教师协助解决。

（4）实时监控提醒。平台建立完善的消息推送模块，推送途径包括：短信通知和邮件通知。在学生打印订单提交后，若审核通过平台会发送消息通知告知学生；打印任务状态包括“待打印、打印中、打印完成、订单完成”，当打印任务状态发生改变时，平台也会向学生发出相关的消息通知，以便学生及时了解进度。

平台也具有常规网站的信息发布及管理功能，通过平台发布3D打印中心及相关领域的信息，文字、图片、视频均可编辑、上传发布、修改、删除；站内可进行信息检索，根据用户权限，可上传、下载学习资料。

3.3 3D模型设计库建设

云平台通过大量学生上传的3D模型积累筛选后形成3D打印设计模型库，汇聚学生的创新智慧，促进分享交流和撮合（见图7）。学生通过个人中心上传3D模型数据，积累至模型库中。模型库支持不同类别分类展示，包括建筑结构、人物角色、时尚饰品、竞赛作品等。可显示浏览量、下载量、收藏喜欢量，可进行浏览最多、下载最多、收藏最多、最新上传排序。学生登录平台能按权限免积分或消耗一定积分下载模型库中的3D模型。

图7 3D云平台模型库

4 云平台服务运行模式

所建立的3D打印云平台链接到上海交通大学学生创新中心主页和学生创新中心微信公众号上，学生通过jAccount登录访问云平台。3D打印中心服务模式有以下几种：

（1）基于标准3D模型文件的远程递交打印模式。此种模式要求学生通过上海交通大学jAccount账号登录云平台，上传标准的3D模型文件，文件格式可支持STL、3MF、OBJ、FPP等格式，主要以STL格式为主。并设置模型参数，提交打印任务申请。平台自动检测审核通过后，根据模型耗材扣除学生的积分，3D打印中心线下打印制作，制作完成后通知学生来领取产品。此种模式适用于学生不需要操作设备，打印要求不是很复杂，模型保密性要求不高的场合。典型的服务流程（见图8）。

图8 3D打印云平台打印服务流程

学生提交模型后可以进入后台打印管理的界面，可以实时跟踪订单状态。打印状态改变，学生会收到邮件通知。

（2）现场加工打印模式。学生通过平台预约设备后至现场加工打印，此种模式学生需要使用3D打印设备，要求学生必须具备设备操作资质，学生必须参加3D打印中心定期举办的设备安全操作培训，或者参加过工程实践、工程认知实践课程有关模块的学习，学习或培训合格者方可独立操作相应设备。未经培训或课程学习的学生，只有在教师/助教指导下操作相应设备。服务流程见图9。

图9 现场加工打印服务流程

5 云平台建设成效

经过前期充分广泛调研，明确平台开发需求，并与魔猴网等企业合作，2018年建成学生创新中心3D云平台3d.si.sjtu.edu.cn，作为3D打印中心面向全校师生服务的窗口，系统提供在线3D打印服务，以及3D模型的创作分享平台。经过2年运行，截至2021年4月，平台累计访问量31万人次，累计线上递交并完成3D打印订单4 951次，打印了1 000+打印成品，每年服务学生超过5 000人，服务人时超过40 000人时，服务的学院超过20个。3D打印云平台有效支撑全校学生的课程、课外创新活动、科技竞赛和项目开发等。

学生创新实践需求大部分是在课后，为满足学生创新实践需求，3D打印中心及云平台按照图书馆工作方式提供服务，引入学生助管助教力量，更多课外时间在线、在现场，24 h不间断打印，此模式受到学生的普遍欢迎。并制定了一系列服务规则标准和助教/助管培训和管理模式，确保中心有序开放高效利用，同时建有包括投诉在内的各种监督机制保障服务质量。

3D云平台使线下服务延伸到线上，并且通过网络为更多学生和教师熟悉和使用，极大扩展了中心的影响力。云平台实现线上、线下服务的融合，提高了工作效率和用户体验水平，吸引了一大批学生利用平台完成各类创新活动和竞赛。

6 结 语

通过3D打印云平台的建设和运营，将打印加工服务由线下延伸到线上，使得全校学生对制造服务有更好的可达性，可以更快满足制件需求，提高了创新实践工作效率，同时模型的共享交流也给学生很大的帮助，启发学生产生更多创意，输出更优质的作品。

未来平台将进行系统拓展，快速整合连接校内外的其他3D系统，并实现智能化管理，通过平台对3D打印设备进行远程实时监控，对3D模型进行智能云切片和云加密服务，以及智能调配打印任务等。

以此为原型，不断完善，可推动成立一批在线协同设计、数据互联共享、分布式制造的增材制造云平台，通过互联网平台整合资源，构建设计、生产与供应链资源有效组织的协同制造体系，开展用户个性需求与产品设计、生产制造精准对接的规模化定制，为产业界的增材制造+互联网提供有益经验，最终实现人、机、物全面互联。