3D打印技術(shù)在教學(xué)模型修復(fù)中的應(yīng)用研究

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(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，河南 鄭州 451460)

1 概述

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1-2]。隨著近幾年3D打印技術(shù)的不斷成熟和推廣，該技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域都有所應(yīng)用[3-6]。

教學(xué)模型是日常教學(xué)工作中的重要工具，可以幫助學(xué)生直觀理解和感受教學(xué)內(nèi)容，是提高課堂和實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果的有效方法。教學(xué)模型在實(shí)際使用過程中，不可避免地會遭到一定程度的損壞，尤其是在移動和搬運(yùn)過程中容易造成較大程度的破壞。如果不能及時地對受損的教學(xué)模型進(jìn)行必要的修復(fù)，就會影響日常的教學(xué)工作，甚至造成模型棄用和重新購買，形成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

綜上所述，應(yīng)用3D打印技術(shù)開展教學(xué)模型修復(fù)工作的相關(guān)研究，既能提高師生對教學(xué)模型重要結(jié)構(gòu)的立體認(rèn)知和動手能力，又能避免教學(xué)模型的重復(fù)購買，并為高校開展教學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的研制與開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

2 基于3D打印的模型修復(fù)技術(shù)

2.1 修復(fù)方法分析

傳統(tǒng)的教學(xué)模型修復(fù)一般根據(jù)損壞程度的不同采用膠粘、焊接、局部補(bǔ)做等方式，需要專業(yè)的工具和較強(qiáng)的操作技巧，多數(shù)以委托校外專業(yè)人員修復(fù)的方式進(jìn)行。與之相比，基于3D打印的模型修復(fù)具有成型速度快、完整度高、簡單易學(xué)的特點(diǎn)，能夠很好地對模型損壞的局部進(jìn)行整體還原，可操作性和修復(fù)效率都有明顯提升，非常適合具備一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的高校師生使用。需要注意的是，3D打印機(jī)由于成型原理和規(guī)格成本的不同，對修復(fù)件的尺寸大小、材料成份有一定的限制。但是考慮到常用教學(xué)模型多為比例縮小的塑料制品，應(yīng)用3D打印技術(shù)對教學(xué)模型進(jìn)行修復(fù)完全可以滿足此類修復(fù)的需要。

2.2 修復(fù)流程

基于3D打印技術(shù)的模型修復(fù)，首先需要根據(jù)教學(xué)模型的受損程度確定修復(fù)件及更換件，通過模型拆解和損壞部件測量，建立相應(yīng)的三維模型。在充分考慮功能及經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同部件確立相應(yīng)的修復(fù)方案，選擇適應(yīng)的打印設(shè)備及材料進(jìn)行3D打印。最后進(jìn)行部件組裝和結(jié)構(gòu)測試，使教學(xué)模型恢復(fù)正常使用功能，具體修復(fù)的流程見圖1。

圖1 應(yīng)用3D打印技術(shù)修復(fù)教學(xué)模型的流程圖

3 基于3D打印的模型修復(fù)應(yīng)用

從教學(xué)實(shí)際情況出發(fā)，針對教學(xué)模型日常使用和移動中的損壞等問題，應(yīng)用3D打印技術(shù)對城軌車輛核心部件轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行修復(fù)，其修復(fù)情況如下。

3.1 修復(fù)過程

(1) 修復(fù)對象的確定。針對轉(zhuǎn)向架模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和損壞程度，將修復(fù)對象分為三類：①以構(gòu)架為代表的大型斷裂面，一方面采取斷面粘接的方式，另一方面通過受力分析對強(qiáng)度薄弱位置進(jìn)行局部強(qiáng)化；②以螺栓安裝座為代表的小型斷裂部件，選擇整體打印的方式對受損部件進(jìn)行整體還原和替換；③以抗側(cè)滾扭桿臂為代表的缺失部件，一般根據(jù)部件尺寸的大小，采取整體打印或拆分打印等方式進(jìn)行還原。

(2) 修復(fù)件的測量和建模。在確定修復(fù)對象后，首先需要對準(zhǔn)備打印的部件進(jìn)行測量和設(shè)計(jì)，以確定模型打印的形狀和尺寸；其次采用主流的三維建模軟件SolidWorks對打印部件建模，模型建立后進(jìn)行必要的強(qiáng)度分析。圖2為構(gòu)架斷裂面內(nèi)部的局部強(qiáng)度優(yōu)化。

(3) 修復(fù)部件的分析和打印。將分析合格的三維模型文件在SolidWorks軟件中另存為3D打印機(jī)可以識別的“.stl”文件格式，然后在3D打印機(jī)的專用軟件中進(jìn)行切片和分析，最后完成打印。

圖2 構(gòu)架內(nèi)部的局部強(qiáng)度優(yōu)化

3.2 修復(fù)效果對比

圖3為設(shè)計(jì)模型與修復(fù)效果的對比圖，從修復(fù)效果上看，應(yīng)用3D打印技術(shù)修復(fù)后的教學(xué)模型質(zhì)量能夠滿足日常教學(xué)的使用要求，整體修復(fù)效果良好。

4 結(jié)論

(1) 通過實(shí)際應(yīng)用3D打印技術(shù)對教學(xué)模型的修復(fù)，可以看到修復(fù)后的模型質(zhì)量能夠滿足日常教學(xué)的使用要求，修復(fù)過程的可操作性強(qiáng)、修復(fù)效率高、整體效果良好。

(2) 對模型進(jìn)行修復(fù)可以提高師生的動手能力，達(dá)到資源合理利用的目的。

(3) 應(yīng)用3D打印技術(shù)對教學(xué)模型進(jìn)行修復(fù)有很強(qiáng)的實(shí)用性，具備推廣應(yīng)用的價值，也可以為今后進(jìn)一步開展教具和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的研制與開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

圖3 設(shè)計(jì)模型與修復(fù)效果的對比圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜月菊,呂海軍,楊曉毅,等.3D掃描與3D打印技術(shù)在破損建筑裝飾構(gòu)件修復(fù)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2016(12):771-773.

[2] 楊蘊(yùn).淺談3D打印技術(shù)在陶瓷類文物修復(fù)和復(fù)制中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2015(5)：110-113.

[3] 舒歡.三維重建和3D打印在兵馬俑修復(fù)中的應(yīng)用[J].電子科學(xué)技術(shù)，2017(7)：160-163.

[4] 何原榮，潘火平，陳鑒知，等.宋代古船的三維激光掃描技術(shù)重建與模型3D打印[J].華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2017(3)：245-250.

[5] 楊少龍，王運(yùn)登，石斌.3D打印技術(shù)制作解剖病理模型在外科解剖教學(xué)及臨床中的應(yīng)用[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2017(3)：71-72.

[6] 黃華軍，曾參軍，李永欣.3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東科技，2014(15):57-59.