3D打印技術(shù)在軌道交通裝備拆裝實踐教學中的應用

程芬

摘 要：通過分析軌道交通設(shè)備拆裝實踐教學的需求，提出應用3D打印技術(shù)構(gòu)建設(shè)備模型并完成設(shè)備拆裝實訓的輔助教學手段，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踐教學。教學實踐表明，通過3D打印技術(shù)輔助設(shè)備拆裝明顯提高了拆裝實訓的教學效果，減少了對實際大型設(shè)備的依賴，也大大降低了實訓成本。3D打印技術(shù)的應用使學生對設(shè)備構(gòu)造及原理了解更加深刻，直接提升了學生工程實踐和數(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;拆裝實訓

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)有少量實驗設(shè)備，且學生實踐時間遠遠不夠，容易造成畢業(yè)生技能掌握不牢，從而影響畢業(yè)學生的綜合發(fā)展。因此，開發(fā)能提升學生技能的實訓項目，提升學生動手能力，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訓教學方法，在拆裝實訓中，可以通過SolidWorks三維建模軟件完成零部件建模過程，展示設(shè)備機械部件構(gòu)造、工作原理，講解和演示拆裝的操作步驟，切實讓學生動手操作3D打印設(shè)備打印零部件并完成拆裝，直觀的讓學生理解設(shè)備的構(gòu)造，還能彌補真實設(shè)備過大、不安全而無法進行實踐的不足，提升了實操訓練的綜合效率，增加了學生的學習興趣，更好的完成了課程的預期目標[2]。

1??3D打印技術(shù)融入軌道交通設(shè)備拆裝教學應用分析

1.1高職軌道交通設(shè)備實訓中存在的問題

因為軌道交通設(shè)備拆裝實訓具有成本高、占用場地大、持續(xù)時間長以及安全要求高等特征，所以進從保護學生安全的角度行拆裝實訓過程中往往采用分組拆裝教學，這樣致使單個學生的實訓時間壓縮，很難達到預期教學目標。同時，實訓基地設(shè)備有限，在拆裝過程中如果拆裝不當，會使增加實訓設(shè)備的損壞率與事故率，這些都為正常的實教學踐帶來不便。

1.2利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)軌道交通設(shè)備拆裝教學的優(yōu)勢

軌道交通相關(guān)實訓教學過程中應用3D打印技術(shù)將傳統(tǒng)的大型不易拆裝的設(shè)備進行三維建模，在計算機控制下，利用數(shù)字化模型直接驅(qū)動快速打印出實物模型。

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

（2）可以提升學生重新認識設(shè)備，提升教學效果。3D打印技術(shù)的引入能夠很好的加強學生對實訓內(nèi)容的理解，能夠提高其動手能力

（3）3D打印技術(shù)的應用還能減少制造類、檢修類的拆裝實訓的花費，也使傳統(tǒng)的拆裝實訓教學更安全。

2?打印軌道交通裝備零部件實現(xiàn)拆裝實訓的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)支持設(shè)備拆裝實訓是將真實設(shè)備拆裝過程擴展為設(shè)備的三維數(shù)字化建模、采用計算機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，實現(xiàn)了不完全依賴與現(xiàn)實場景一致的拆裝實訓，同時又用縮放版模型還原了真實的拆裝過程[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）導入模型文件設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行打印。

（4）將打印出的模型組件進行裝配出產(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)備或者模型進行實地測繪，采用直接正向建模設(shè)計，學生還可以進行不斷修改和優(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)學生在學習維修軌道交通設(shè)備課程中存在諸多問題，例如圖紙裝配信息表達不直觀、不徹底、不能共享、真實設(shè)備笨重且操作存在諸多安全隱患，去企業(yè)現(xiàn)場培訓成本高、培訓時間長等，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行建模繪制，完成裝配，在虛擬環(huán)境中進行維修工作的“預實踐”，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入3D打印機實現(xiàn)零件快速成型做準備。學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，對模型進行數(shù)據(jù)采集與處理，先給原始模型貼標記點進行空間定位，再使用掃描儀準備捕捉模型的點云數(shù)據(jù)，再利用軟件將導入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為原生solidworks文件格式，還可以在導入草圖文件進行適當?shù)膭?chuàng)新設(shè)計，在不影響設(shè)備功能的前提下，鼓勵學生適當?shù)倪M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，用于從掃描的點云和網(wǎng)格數(shù)據(jù)導入、編輯、評估和創(chuàng)建實體幾何體。

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

（3）導入和重用?Adobe??Illustrator??生成的概念。

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