基于虚拟现实的3D 打印课程沉浸式教学方法研究

张李超，郭强强

（华中科技大学材料科学与工程学院 湖北 武汉 430074）

3D 打印是一种“从无到有”的增材制造方法，基于CAD 设计数据，使用液、粉、丝、片、板、块等离散的材料逐层、逐区域叠加制造出具备任意复杂形貌特征的物体，已经在航空航天、生物医疗、文化创意、模具、消费等领域获得广泛应用。目前在很多高校均开展了关于3D 打印相关概念和前沿技术介绍的课程。作者也承担了材料加工工程专业本科4 年级课程“3D 打印技术及应用”的教学工作，在前些年的教学实践中，发现虽然引入了多媒体视频、软件实际操作、设备现场参观等多种教学方式，但仍然存在以下问题：

第一，3D 打印工艺类型繁多，在三维CAD 模型驱动制造的内涵下覆盖多种成形原理与加工方式截然不同的制造方式，目前有近十种主流3D打印工艺，并且采用不同的材料堆积与能量输送方式，学生难以在有限的时间内对3D 打印工艺原理有一个完整而深刻的认识。

第二，3D 打印操作流程复杂漫长，绝大多数工业级设备价格昂贵，多数树脂材料及粉末材料具有一定的安全性问题，除价格低廉、操作快捷的桌面级FDM 设备外，学校难以给学生提供操作真实的工业级设备的机会，学生缺乏对实际3D 打印过程的直观感受，反而认为各种似是而非的成形工艺没有意义，兴趣不浓。

随着全球数字化和智能化时代的到来，整合多种新兴技术的元宇宙、虚拟世界等广泛应用到人们生活的各个方面。当前以元宇宙为代表的虚拟世界走进教育领域并不断引发教学改革和创新发展。为了让学生充分体验和感受3D 打印不同工艺的整个加工流程，本文开发了一套基于虚拟现实（VirtualReality，VR）的3D打印体验系统，在此基础上研究了课程沉浸式教学方法，提高学生对3D 打印领域的研究热情和对未知技术的认知投入，从而提高教学质量。

1 基于VR 技术的3D 打印工艺过程模拟原理

1.1 基于VR 的沉浸式教学模式

VR 技术是基于计算机图形学、计算机仿真、人机交互等多种技术融合的一种计算机模拟技术。VR 通过模拟和生成与现实世界相同的虚拟环境，利用传感器、摄像头等感知装置与用户进行人机交互，使用户沉浸到虚拟环境中进行自主学习，具有沉浸性、交互性以及构想性等特点。如今，VR 在医疗、军事、游戏以及教育等领域应用广泛。随着VR技术的大众化，将VR 技术应用于教育的应用系统开始出现。VR 在教育方面的应用主要体现在构建一个沉浸式的VR 交互式操作过程，以非常低的成本提供覆盖多种3D打印工艺的虚拟实践交互式操作过程，支持1 对1 培养学生的自主学习能力，既保证了每个学生的学习体验和学习效果，又确保了学生的安全性，从而提高了教学质量。

1.2 VR 硬件系统构建

VR 设备包括视觉显示设备和交互设备。本文选用HTC 公司和Valve 联合发布的VR 设备——HTC Vive 系统。HTC Vive 使用了LightHouse 定位系统，它由两个内设有红外线LED 阵列和两个转轴互相垂直的可旋转红外激光发射器的基站组成。将两个基站分别放置在操作空间（大于2×1.5m）的对角处即可实时感知Vive头盔的位置与姿态，并同步更新头盔内置显示装置（2 个3.5 AMOLED显示屏）视图内容，从而可以让学生以第一人称视角获得置身于虚拟环境中的体验。

为给学生接近真实的3D打印设备交互式操作体验，本VR 系统配备了两只操控器手柄，用于感知手部动作，从而可以让学生自主地操作虚拟3D 打印设备。

2 基于VR 的3D 打印教学系统开发

2.1 软件架构

本教学系统基于Unity3D平台开发，Unity3D是由Unity Technologies 开发的一款能够使用户轻松创建有关3D视频游戏、实时三维动画、建筑可视化展示等类型互动内容的游戏开发引擎。针对3D打印课程教学需要，开发了如下模块。

场景资源。对于3D 打印场景中的打印机、零件模型以及实验室背景等，本文通过UG 等建模软件或直接在程序中生成这些3D 模型，并编写Shader 着色器对模型上色，添加纹理贴图等场景资源。对于VR 场景中音频资源，本文收集了相关的资源文件，包括打印机运行的声音，平台上升下降的声音，喷头移动的声音，UI 操作时的提示音以及打印完成的提示音。FDM打印机设备虚拟视图如图1 所示。

图1 FDM 打印机设备

打印机逻辑。打印机喷头的运动可以分为打印时的运动和打印开始和结束时移向中心和回到初始位置两种。其中后者比较简单，只需使用物体移动的函数即可。前者则需要进行打印轨迹点的保存。对于工作台的运动，与打印机喷头运动相似。

打印机运动状态分析，主要包括静止（运行）阶段，冷却阶段，回到初始位置阶段，预热阶段，预热完成（开始打印）阶段，移动到开始打印的位置阶段，调平及运算阶段，正在打印阶段。这些状态的切换有用户可以强制进行的，还有系统自动进行的。有关模型移动的阶段都对其状态进行监控，预热、冷却和调平及运算阶段通过迭代器进行实现。

用户界面逻辑。所有的用户界面都通过Unity 自带的uGUI 模块来创建。用户界面包括欢迎界面，打印前的参数设置和成品模型预览界面，打印实时状态显示界面和打印机显示屏上的显示界面。用户界面逻辑比较简单，用户根据界面提供的按钮和滑动条等组件与打印机进行交互操作。

2.2 柔性丝材的反向动力学模拟技术

为提升系统的真实感，在3D 打印过程的模拟仿真中应用了反向动力学技术。以FDM 打印机为例，加工的材料是丝材，送丝机构为柔性管状结构。为强化柔性管状物体的仿真效果，进行了基于反向动力学的柔性变形效果仿真。

线缆和丝材的运动特点为：一端为固定端（FDM 打印机底座、供料盘），另一端为自由端（由FDM 喷头牵引运动）。在本文中，将上述柔性管状物体设置为一系列相互连接约束的内骨骼，外部进行蒙皮操作使其符合线缆、丝材的外观质感。动态确定打印过程中自由端的骨骼位置，然后再基于反向动力学的原理计算与之连接的下一块骨骼的位置和姿态，逐步迭代到固定端的骨骼。通过调节各个影响管状物体变形的部件的权重，可实现基本符合真实物理世界的线缆与丝材运动仿真。

3 沉浸式教学实践

在实验室搭建好VR 的定位基站，即可让学生体验基于VR 技术的沉浸式3D 打印加工过程教学。学生通过佩戴HTC Vive 头盔和操控手柄，即可开始对虚拟3D打印机进行交互。以FDM 打印机为例，FDM 的操作流程包括打印材料的安装、预热喷头和工作台自动调平、打印、冷却、紧急停止、取件、模型支撑的去除等步骤。

实际的VR 场景教学示意如图2 所示。场景中央是一台FDM 打印机，右侧有材料控制面板和打印机参数控制面板，学生通过HTC Vive 头盔可以看到模拟的虚拟场景，通过手中的手柄遥感装置操纵打印机控制面板，从而控制FDM 打印机打印模型。

图2 3D 打印VR 教学示意

在本系统中，学生需点击开机按钮，打印机将处在静止（运行）阶段，此时可以进行参数设置、成品预览、材料安装，材料颜色更改等操作。当学生安装好材料才能开始打印，安好材料并点击打印按钮，打印机进入预热阶段，喷头和平台温度分别加热到指定温度，状态自行切换到移动到开始打印的位置阶段，此时喷头将进行移动，移动到平台中心的位置之后，平台开始上升到规定高度。状态自行切换到调平及运算阶段，大约等待5秒，进行喷头运行轨迹的计算和平台的调平。之后再自行切换到正在打印阶段，此时打印机将开始进行模型的打印。直到模型打印完成，状态将自行切换到回到初始位置阶段，回到初始位置后，打印机状态自行切换到冷却阶段，冷却完成后切换到静止（运行）阶段。在整个过程中都可以点击停止按钮，使打印机停止打印。

4 沉浸式教学效果

在教学实践过程中，发现这种沉浸式教学模式可以极大地提高同学们的学习热情，具备如下积极效果。

提升了学生的学习兴趣。学生可交互式体验完整的3D 打印流程，学生的头部、手部动作均有实时反馈，仿佛真实地在操纵打印机进行加工一般，并且中间耗费时间最长的堆积加工过程可使用高倍率加速模拟，让数小时的加工缩短到一分钟内，可非常深刻地体验到“生长型”制造的原理，显著提升了学生的学习兴趣。

强化了3D 打印工艺流程的概念。在本VR 系统软件中，对工艺流程做了严格的合理性判断，学生只有完成必需的操作后才可以进入下一步操作，因而对不同3D 打印工艺流程的原理及具体过程印象明显强化。

加深了对真实的3D 打印应用场景的认识。例如，学生通过在几分钟内切换尺寸大小不同的设备（例如：加工台面仅100mm的桌面级3D打印机，到2000mm 的工业级3D 打印设备）模型，以第一人称视角操作会获得非常震撼的体验，深刻认识到3D打印并不仅仅是玩具，而可以是真正的国之重器。

5 结语

基于VR 技术的沉浸式教学模式在3D 打印课程中显著提升了学生的学习兴趣，强化了对多种不同工艺流程的认识，在未来的教学模式中将会起到更重要的作用。