3D打印技術(shù)在軌道交通裝備拆裝實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

程芬

摘 要：通過分析軌道交通設(shè)備拆裝實(shí)踐教學(xué)的需求，提出應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)建設(shè)備模型并完成設(shè)備拆裝實(shí)訓(xùn)的輔助教學(xué)手段，介紹了裝備零部件數(shù)字化建模的方法、3D打印的過程以及利用打印模型完成拆裝實(shí)踐教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明，通過3D打印技術(shù)輔助設(shè)備拆裝明顯提高了拆裝實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果，減少了對實(shí)際大型設(shè)備的依賴，也大大降低了實(shí)訓(xùn)成本。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使學(xué)生對設(shè)備構(gòu)造及原理了解更加深刻，直接提升了學(xué)生工程實(shí)踐和數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：3D打印;數(shù)字化建模;軌道交通;拆裝實(shí)訓(xùn)

近年來，我國軌道交通快速發(fā)展帶動了相關(guān)裝備制造的更新?lián)Q代，相關(guān)行業(yè)的從業(yè)人才需求量也逐漸增加。然而，受學(xué)校場地、設(shè)備等硬件條件的限制，高校單純靠現(xiàn)有少量實(shí)驗設(shè)備，且學(xué)生實(shí)踐時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，容易造成畢業(yè)生技能掌握不牢，從而影響畢業(yè)學(xué)生的綜合發(fā)展。因此，開發(fā)能提升學(xué)生技能的實(shí)訓(xùn)項目，提升學(xué)生動手能力，滿足新時期軌道企業(yè)制造企業(yè)的人才需求成為一項重要課題[1]。綜上所述，本文提出了利用3D打印技術(shù)，進(jìn)行軌道設(shè)備三維建模并打印模型，完成模型拆裝的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，在拆裝實(shí)訓(xùn)中，可以通過SolidWorks三維建模軟件完成零部件建模過程，展示設(shè)備機(jī)械部件構(gòu)造、工作原理，講解和演示拆裝的操作步驟，切實(shí)讓學(xué)生動手操作3D打印設(shè)備打印零部件并完成拆裝，直觀的讓學(xué)生理解設(shè)備的構(gòu)造，還能彌補(bǔ)真實(shí)設(shè)備過大、不安全而無法進(jìn)行實(shí)踐的不足，提升了實(shí)操訓(xùn)練的綜合效率，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好的完成了課程的預(yù)期目標(biāo)[2]。

1??3D打印技術(shù)融入軌道交通設(shè)備拆裝教學(xué)應(yīng)用分析

1.1高職軌道交通設(shè)備實(shí)訓(xùn)中存在的問題

因為軌道交通設(shè)備拆裝實(shí)訓(xùn)具有成本高、占用場地大、持續(xù)時間長以及安全要求高等特征，所以進(jìn)從保護(hù)學(xué)生安全的角度行拆裝實(shí)訓(xùn)過程中往往采用分組拆裝教學(xué)，這樣致使單個學(xué)生的實(shí)訓(xùn)時間壓縮，很難達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。同時，實(shí)訓(xùn)基地設(shè)備有限，在拆裝過程中如果拆裝不當(dāng)，會使增加實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞率與事故率，這些都為正常的實(shí)教學(xué)踐帶來不便。

1.2利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通設(shè)備拆裝教學(xué)的優(yōu)勢

軌道交通相關(guān)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中應(yīng)用3D打印技術(shù)將傳統(tǒng)的大型不易拆裝的設(shè)備進(jìn)行三維建模，在計算機(jī)控制下，利用數(shù)字化模型直接驅(qū)動快速打印出實(shí)物模型。

（1）打印的模型材質(zhì)輕，零部件按比例縮小，易于在課堂上實(shí)現(xiàn)“人手一臺設(shè)備”。

（2）可以提升學(xué)生重新認(rèn)識設(shè)備，提升教學(xué)效果。3D打印技術(shù)的引入能夠很好的加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的理解，能夠提高其動手能力

（3）3D打印技術(shù)的應(yīng)用還能減少制造類、檢修類的拆裝實(shí)訓(xùn)的花費(fèi)，也使傳統(tǒng)的拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)更安全。

2?打印軌道交通裝備零部件實(shí)現(xiàn)拆裝實(shí)訓(xùn)的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)支持設(shè)備拆裝實(shí)訓(xùn)是將真實(shí)設(shè)備拆裝過程擴(kuò)展為設(shè)備的三維數(shù)字化建模、采用計算機(jī)軟件仿真裝配全過程、打印零部件模型以及將模型組件用以完成裝配等步驟，實(shí)現(xiàn)了不完全依賴與現(xiàn)實(shí)場景一致的拆裝實(shí)訓(xùn)，同時又用縮放版模型還原了真實(shí)的拆裝過程[3]。主要包括以下幾個方面內(nèi)容：

（1）采集設(shè)備特征參數(shù)。

a）測繪;

b）三維掃描。

（2）完成零部件的建模工作。

a）正向三維建模;

b）逆向反求建模。

（3）導(dǎo)入模型文件設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行打印。

（4）將打印出的模型組件進(jìn)行裝配出產(chǎn)品模型。

2.1?采集設(shè)備特征參數(shù)

采集設(shè)備特征參數(shù)一般有兩種方式，如果有現(xiàn)成的設(shè)備或者有現(xiàn)成的圖紙信息，可直接對設(shè)備或者模型進(jìn)行實(shí)地測繪，采用直接正向建模設(shè)計，學(xué)生還可以進(jìn)行不斷修改和優(yōu)化設(shè)計來得到理想的三維數(shù)字化模型;如果無圖紙或者圖紙信息不全，可以利用三維掃描儀將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行掃描來生成和采集相關(guān)數(shù)據(jù)，采用逆向數(shù)據(jù)采集反求建模。無論正向還是逆向都是先進(jìn)的數(shù)字化建模技術(shù)的重要手段。

2.2?數(shù)字化三維建模工作

2.2.1正向三維建模

作為維修專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)維修軌道交通設(shè)備課程中存在諸多問題，例如圖紙裝配信息表達(dá)不直觀、不徹底、不能共享、真實(shí)設(shè)備笨重且操作存在諸多安全隱患，去企業(yè)現(xiàn)場培訓(xùn)成本高、培訓(xùn)時間長等，這些問題可以通過引入三維建模軟件如SolidWorks并結(jié)合3D打印得到很好的解決。

操作者可先利用SolidWorks軟件完成零部件的三維模型繪制，在軟件中親自對每一個零件進(jìn)行建模繪制，完成裝配，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行維修工作的“預(yù)實(shí)踐”，為維修人員提供有效的模擬技術(shù)支持[4]，為后續(xù)將完成的零部件模型信息導(dǎo)入3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)零件快速成型做準(zhǔn)備。學(xué)生完成的三維建模的部分零件圖如下圖1。

2.2.2逆向建模

逆向建模主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的數(shù)字化重建，使用配套彩色掃描儀，對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，先給原始模型貼標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定位，再使用掃描儀準(zhǔn)備捕捉模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用軟件將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為原生solidworks文件格式，還可以在導(dǎo)入草圖文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新設(shè)計，在不影響設(shè)備功能的前提下，鼓勵學(xué)生適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

SolidWorks包含的逆向工程基本工具主要有：

（1）ScanTo3D?功能，用于從掃描的點(diǎn)云和網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入、編輯、評估和創(chuàng)建實(shí)體幾何體。

（2）曲面工具，支持創(chuàng)建和編輯復(fù)雜的幾何體，包括美觀的曲率連續(xù)?（C2）?曲面。

（3）導(dǎo)入和重用?Adobe??Illustrator??生成的概念。

（4）自動跟蹤，用于導(dǎo)入紙質(zhì)草圖的圖像文件以開始用戶的設(shè)計。