錢波 樊紅日

摘要：將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)應(yīng)用在增材制造（AM）技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)基于AR的數(shù)字化模型交互式設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)反饋式分層預(yù)覽，以及面向增材制造工藝特點(diǎn)的沉浸式教學(xué)，特別是將AR技術(shù)應(yīng)用在功能演示和展示上將直觀呈現(xiàn)增材制造應(yīng)用效果，便于學(xué)生融會(huì)貫通，提高實(shí)踐教學(xué)的培養(yǎng)效果，提升教學(xué)培養(yǎng)的深度和廣度。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增材制造技術(shù)，實(shí)踐教學(xué)，沉浸式教學(xué)

0 引言：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)信息、聲音、味道、觸覺(jué)等）通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加[2]。在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段[3，4]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的突出特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成;②具有實(shí)時(shí)交互性[5];③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術(shù)可廣泛應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、建筑、教育、工程、影視、娛樂(lè)等領(lǐng)域[6]。因此為了加深提高增材制造技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的培養(yǎng)效果和培養(yǎng)深度[7]，本文探討利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)應(yīng)用到增材制造技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中，以期待能獲得更大突破和有益的效果。

以增材制造技術(shù)為支撐的凈近成形技術(shù)，可徹底解決常規(guī)加工中難以加工局部的難題，大幅度提高零件的可靠性和使用壽命，是傳統(tǒng)去除式加工工藝的實(shí)質(zhì)性突破[8]。AM 是集現(xiàn)代 CAD/CAM 技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件快速制造技術(shù)[9]。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入增材制造專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的顯示、交互、互動(dòng)及反饋環(huán)節(jié)，使學(xué)生在身臨其境的環(huán)境中學(xué)習(xí)了解實(shí)踐增材制造工藝，對(duì)成形過(guò)程和成形工藝建立直觀多維度的觸發(fā)式教學(xué)體系，可以使學(xué)生更好適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的需求與發(fā)展[10]。

1 總體教學(xué)應(yīng)用規(guī)劃

在增材制造教學(xué)實(shí)踐中，傳統(tǒng)的增材制造模型設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)方提供模型，然后利用多種增材制造工藝通過(guò)成形方法制造出樣品，再將樣品反饋給設(shè)計(jì)方，設(shè)計(jì)方再根據(jù)展示效果做出評(píng)估，再進(jìn)一步優(yōu)化，反復(fù)迭代，研制周期長(zhǎng)。故為了加快迭代速度，在實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)采取“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和3D打印” 結(jié)合的方式。

針對(duì)增材制造具體工藝，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可有助于學(xué)生對(duì)制造工藝的理解達(dá)到身臨其境的有益效果。利用當(dāng)前較為成熟的三類增材制造工藝：金屬材料增材制造工藝、高分子材料增材制造工藝、樹脂材料增材制造工藝，結(jié)合三維逆向掃描技術(shù)，在基礎(chǔ)知識(shí)講解過(guò)程中，讓學(xué)生充分利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)了解這三類制造工藝的原理、設(shè)備組成、成形過(guò)程。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可全程融入在模型設(shè)計(jì)-材料選擇-工藝擬定-制造監(jiān)控等整個(gè)環(huán)節(jié)中，提高該專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

2 具體實(shí)施過(guò)程

為達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與增材制造的有機(jī)結(jié)合、提升增材制造課程的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)效果，可通過(guò)以下幾個(gè)方面分布實(shí)施：

2.1 建設(shè)面向增材制造的AR交互設(shè)計(jì)與在線反饋系統(tǒng)

建設(shè)一整套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的面向增材制造的三維模型交互設(shè)計(jì)與用戶在線反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括學(xué)生互動(dòng)端、設(shè)計(jì)師端、服務(wù)器端、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型管理模塊、后臺(tái)信息管理模塊。

其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展品模型管理模塊分別連接到服務(wù)器端、學(xué)生設(shè)計(jì)師端和學(xué)生互動(dòng)端，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型管理模塊用于將設(shè)計(jì)的三維模型內(nèi)容和形式轉(zhuǎn)換為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展品，同時(shí)進(jìn)行三維模型的實(shí)時(shí)渲染和文字介紹、動(dòng)畫介紹、特點(diǎn)聚焦等，將學(xué)生所提出的問(wèn)題和修改建議以及設(shè)計(jì)師的示范展示過(guò)程通過(guò)所述服務(wù)器端展現(xiàn)到所述學(xué)生設(shè)計(jì)師端和學(xué)生用戶端。其原理圖如下圖所示：

2.2 建立一套增材制造設(shè)備硬件的虛擬系統(tǒng)

硬件是基礎(chǔ)，為了在AR中直觀呈現(xiàn)增材制造設(shè)備硬件，有必要建立一套設(shè)備硬件虛擬系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，學(xué)生可以利用AR看到設(shè)備的各個(gè)功能組成模塊。具體為：面向金屬打印設(shè)備，虛擬系統(tǒng)中包含有激光器、振鏡、擴(kuò)束器等光學(xué)元件，有送粉缸、工作缸、收粉缸、基板、鋪粉刮刀、鋪粉橫梁等運(yùn)動(dòng)模塊，有熔覆噴頭、送絲噴頭等送粉裝置，有電子束發(fā)生器、偏轉(zhuǎn)線圈等高能束發(fā)生裝置，以及必要的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)元件?？傊诖颂摂M系統(tǒng)中，需建立不同3D打印設(shè)備的硬件系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中盡可能完善的模擬其工作過(guò)程和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果。

2.3 建設(shè)面向增材制造的AR工藝規(guī)劃和工藝過(guò)程交互系統(tǒng)

在增材制造中，成形工藝的擬定和規(guī)劃至關(guān)重要。對(duì)于不同應(yīng)用材料，不同制造工藝，學(xué)生在初步實(shí)踐中知識(shí)理解和掌握較為困難，因此可利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立面向增材制造的工藝開(kāi)發(fā)、工藝規(guī)劃、成形過(guò)程的全景實(shí)時(shí)模擬、展現(xiàn)和交互，便于學(xué)生快速虛擬迭代不同工藝規(guī)劃并快速預(yù)測(cè)工藝結(jié)果，在此基礎(chǔ)上獲得最優(yōu)工藝。

在具體實(shí)施中，該交互系統(tǒng)包括三維模型輸入端、材料輸入端、工藝設(shè)定模塊、設(shè)備硬件模塊、零件打印過(guò)程模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋模塊。學(xué)生可在AR系統(tǒng)中導(dǎo)入三維模型，導(dǎo)入材料并設(shè)定材料屬性，然后設(shè)定初始工藝，以及設(shè)定設(shè)備硬件參數(shù)。然后零件打印模塊負(fù)責(zé)裝載上述輸入模塊的信息，在計(jì)算機(jī)中仿真硬件各個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的工作、能量輸出模塊的激光掃描、或加熱噴頭的運(yùn)動(dòng)以及傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。由于材料在成形中呈現(xiàn)復(fù)雜的物理化學(xué)變化，特別是金屬材料的增材制造其物理轉(zhuǎn)換過(guò)程異常復(fù)雜，在該系統(tǒng)中呈現(xiàn)是非常困難以及計(jì)算規(guī)模龐大。因此為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單的幾何尺度的層面增加來(lái)代表現(xiàn)實(shí)零件材料的物理化學(xué)變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于增材制造專業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，從實(shí)踐效果來(lái)看，加深了學(xué)生對(duì)增材制造領(lǐng)域技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)，學(xué)生通過(guò)身臨其境、多維互動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境下學(xué)習(xí)增材制造技術(shù)，不僅很好地掌握了增材制造技術(shù)的基本原理，還充分認(rèn)識(shí)了增材制造的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)生通過(guò)視覺(jué)體驗(yàn)、多維感觸參與從增材制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原型試制到批量生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程，不僅對(duì)增材化相關(guān)知識(shí)的范疇和深度增強(qiáng)，創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力提高了，值得在增材制造專業(yè)教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行大力推廣。

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作者信息：

錢波，1979-12-18，男，民族漢，籍貫 湖北襄陽(yáng)，博士研究生，副教授，畢業(yè)院校華中科技大學(xué)，專業(yè)材料加工工程，研究方向增材制造技術(shù)，工作單位上海工程技術(shù)大學(xué)