基于3D打印技術的兩軸變速器教具開發

柏貴友　李萍　李樂祥　韓越　楊正威　朱營弟

摘 要：基于3D打印技術的靈活性、方便性等優點，3D打印技術在許多領域得到廣泛的應用;因此引來諸多關注，并在自制教具模型方面得到推廣。目前汽車變速器空間結構復雜、難以拆卸，所以在教學中存在抽象、枯燥等現象。為了提高“教、學、做”一體化教學效果，利用3D打印技術打印變速器教具模型，滿足汽車專業教學需求。同時提高了學生的實踐技能、還為教學節約了成本，還提高了課堂的趣味性及效率。關鍵詞：3D打印技術;兩軸變速器;教具模型中圖分類號：TP334.8 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-193-03

Abstract： The 3D printing technology has been widely used in many fields based on the flexibility and convenience of the 3D printing technology. At present， the space structure of the automotive transmission is complex and difficult to remove， so there is an abstract and boring phenomenon in the teaching. In order to improve the teaching effect of the "teach， study， do"， a 3D printing technology is used to print the transmission teaching aid model to meet the needs of the professional teaching of the automobile. At the same time， the practical skills of the students are improved， the cost is saved for teaching， and the interesting and the efficiency of the class are also improved.Keywords： 3D printing technology; Two-axle transmission; Teaching aid modelCLC NO.： TP334.8? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-193-03

前言

3D打印技術作為“第三次工業革命”的三大技術之一，隨著智能制造技術的進一步發展已逐步成熟，并在選材、打印精度和速度方面有較大提高，被廣泛應用到汽車智能制造、航空航天及醫療產品等制造領域。在汽車行業中，汽車變速器起著至關重要的作用，即實現改變傳動比、改變轉矩、實現換擋、實現倒車的功能，由變速傳動機構和變速操縱機構組成，它是利用若干齒數不同的齒輪搭配嚙合傳動來實現變速的。由于變速器結構復雜，不易拆卸，憑書上的一些文字和圖片理解起來是很困難的，而且在實訓室中的教學設備大多是金屬材料，不易攜帶和拆解，因此，利用3D打印自制教具的很多優點，例如靈活、便于攜帶、輕量等。在“教、學、做”一體化教學過程中起到事半功倍的效果。

1 3D打印技術概述

1.1 3D打印技術的概念

3D打印技術屬于一種快速成型的技術之一，是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又叫做增材制造（AM， Additive Manufacturing）作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。

1.2 3D打印技術工作原理

2 3D打印教具的優越性

2.1 直觀性

運用汽車教具可以使知識具體化、形象化，汽車專業教學中往往有很多原理和工作過程是非常抽象的，如果將教具模型的解剖和動畫視頻相結合，將運動情況和工作過程進行分析，化抽象為形象、化無形為有形、化靜為動，達到多元化的運用，將會獲得更好的教學效果。

2.2 實踐性

教具可以給學生帶來實物接觸、使用、解剖等優勢，既能培養學生學習技能的興趣，而且還可以更好的掌握汽車工作原理、結構和性能，例如對汽車的發動機、變速器、各種傳感器等，在教學過程中更加方便、直觀、易懂，激發學生的求知欲，調動學生的學習積極性。

2.3 經濟性

在使用教具模型的過程中，要抓住方便、低成本、實用的特點，教師在教學時先進行實物認知、拆卸、演示等，使學生熟悉結構和工作過程，然后在進行實物實踐，不僅可以減少設備的消耗，還能突破教學設備數量和場地的限制。

3 3D打印技術的兩軸變速器教具開發制作

3.1 3D打印機組裝與調試

通過對3D打印機的學習和認知，初步選購的3D打印機零部件，根據使用說明進行組裝與調試，學習（SOLIDWOR -KS）正向或逆向建模軟件，建立待打印三維模型，并調整好裝配關系，合理選擇零件顏色，進行初步打印試機、調試，確保設備工作良好，進行模型初步打印。如下圖2所示：

3.2 兩軸變速器的設計與構建

兩軸變速器的設計與構建階段涉及到三維建模和三維掃描。3D打印的關鍵階段是模型構建與設計，直接決定模型比例是否合理、是否恰當，三維建模決定了最終模型打印效果，先通過三維模型軟件（正向建模軟件：初選SOLIDWORKS）制作出兩軸變速器的各零部件的三維模型，再將三維模型進行“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機打印。

3.3 打印輸出

在打印輸出過程中有幾個重要的階段：數據輸出、模型分切、剖面信息讀取、選材、切片打印和切片黏合。首先將三維模型數據輸入3D打印機，通過打印機的配備，形成多個剖面。打出的截面厚度（即Z軸方向）以及平面方向（X-Y軸方向）是以像素英寸或者微米來計算的，除此之外，模型形狀、打印介質和打印機的規格也會影響截面厚度。其次，采集所有切片的信息，構建每一層三維模型切片，逐層將這些切片打印出來;最后，將所有的切片堆疊起來，用不同的方式粘合成一個實體。其過程如下圖3所示：

3.4 后期處理

在打印的過程中，除了3D打印機規格會造成零件的殘缺之外，還有打印材質、打印精度的不同也會造成成品的表面粗糙的現象，這時就需要對打印出來的模型進行簡單的后期處理，例如：表面打磨、上色、固化處理和涂拋光液等。

3.5 零件組裝

根據所學的知識將打印好的兩軸變速器的各個零部件模型進行裝配，在裝配的過程中，檢查各零件模型的尺寸、表面、牢固性等問題，以便在教學中應用起來更加方便，最后將所有的零件模型依靠真實的兩軸變速器進行組裝，得到一個新的兩軸變速器教具模型。如圖所示：

4 教學應用與教學評價

將打印好的三維變速器應用到課堂中，老師通過設計教學和安排模型的應用時間，為學生創設一種輕松自由的學習環境。通過學生理論知識的學習，將模型進行實踐證明，得出了結論的正確性，老師方便快捷的將教具模型帶入課堂。所以，運用3D打印技術，制作便攜、創意教具，活躍課堂氣氛，激發學習熱情;提高學生學習興趣，激發學生動手實

踐熱情，達到了“教、學、做”一體化的效果。

5 結束語

3D打印是一種新型的技術，教育領域是未來3D打印技術推廣的應用市場，本文通過分析3D打印原理、3D打印汽車兩軸變速器教具模型、3D打印技術在教育中構建了“教、學、做”一體化的教學應用模式，教具模型達到了精密化、智能化、通用化、輕量化、以及便捷化等諸多優點，并且在汽車教學分析過程中提供了重要的理論分析和實踐指導意義。因此，3D打印技術將來必然成為教具模型生產領域的重要核心技術，最大化發揮其現代科學技術的作用。

參考文獻

[1] 王菊霞. 3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究[D].吉林大學，2014.

[2] 匡鑫.3D打印技術在教具制作與教學中的應用[J].南方農機，2015， （12）：64.

[3] 蒙少青.3D打印技術研發家具與陳設課堂教具中的應用研究[J].建材與裝飾，2017（15）：111-112.