基于3D打印技術(shù)的兩軸變速器教具開發(fā)

柏貴友　李萍　李樂祥　韓越　楊正威　朱營(yíng)弟

摘 要：基于3D打印技術(shù)的靈活性、方便性等優(yōu)點(diǎn)，3D打印技術(shù)在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用;因此引來(lái)諸多關(guān)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以拆卸，所以在教學(xué)中存在抽象、枯燥等現(xiàn)象。為了提高“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)效果，利用3D打印技術(shù)打印變速器教具模型，滿足汽車專業(yè)教學(xué)需求。同時(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐技能、還為教學(xué)節(jié)約了成本，還提高了課堂的趣味性及效率。關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);兩軸變速器;教具模型中圖分類號(hào)：TP334.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(shù)作為“第三次工業(yè)革命”的三大技術(shù)之一，隨著智能制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)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(yīng)用到汽車智能制造、航空航天及醫(yī)療產(chǎn)品等制造領(lǐng)域。在汽車行業(yè)中，汽車變速器起著至關(guān)重要的作用，即實(shí)現(xiàn)改變傳動(dòng)比、改變轉(zhuǎn)矩、實(shí)現(xiàn)換擋、實(shí)現(xiàn)倒車的功能，由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)組成，它是利用若干齒數(shù)不同的齒輪搭配嚙合傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速的。由于變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆卸，憑書上的一些文字和圖片理解起來(lái)是很困難的，而且在實(shí)訓(xùn)室中的教學(xué)設(shè)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(yōu)點(diǎn)，例如靈活、便于攜帶、輕量等。在“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)過(guò)程中起到事半功倍的效果。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)的概念

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

1.2 3D打印技術(shù)工作原理

2 3D打印教具的優(yōu)越性

2.1 直觀性

運(yùn)用汽車教具可以使知識(shí)具體化、形象化，汽車專業(yè)教學(xué)中往往有很多原理和工作過(guò)程是非常抽象的，如果將教具模型的解剖和動(dòng)畫視頻相結(jié)合，將運(yùn)動(dòng)情況和工作過(guò)程進(jìn)行分析，化抽象為形象、化無(wú)形為有形、化靜為動(dòng)，達(dá)到多元化的運(yùn)用，將會(huì)獲得更好的教學(xué)效果。

2.2 實(shí)踐性

教具可以給學(xué)生帶來(lái)實(shí)物接觸、使用、解剖等優(yōu)勢(shì)，既能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)技能的興趣，而且還可以更好的掌握汽車工作原理、結(jié)構(gòu)和性能，例如對(duì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、各種傳感器等，在教學(xué)過(guò)程中更加方便、直觀、易懂，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

在使用教具模型的過(guò)程中，要抓住方便、低成本、實(shí)用的特點(diǎn)，教師在教學(xué)時(shí)先進(jìn)行實(shí)物認(rèn)知、拆卸、演示等，使學(xué)生熟悉結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，然后在進(jìn)行實(shí)物實(shí)踐，不僅可以減少設(shè)備的消耗，還能突破教學(xué)設(shè)備數(shù)量和場(chǎng)地的限制。

3 3D打印技術(shù)的兩軸變速器教具開發(fā)制作

3.1 3D打印機(jī)組裝與調(diào)試

通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)的學(xué)習(xí)和認(rèn)知，初步選購(gòu)的3D打印機(jī)零部件，根據(jù)使用說(shuō)明進(jìn)行組裝與調(diào)試，學(xué)習(xí)（SOLIDWOR -KS）正向或逆向建模軟件，建立待打印三維模型，并調(diào)整好裝配關(guān)系，合理選擇零件顏色，進(jìn)行初步打印試機(jī)、調(diào)試，確保設(shè)備工作良好，進(jìn)行模型初步打印。如下圖2所示：

3.2 兩軸變速器的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

兩軸變速器的設(shè)計(jì)與構(gòu)建階段涉及到三維建模和三維掃描。3D打印的關(guān)鍵階段是模型構(gòu)建與設(shè)計(jì)，直接決定模型比例是否合理、是否恰當(dāng)，三維建模決定了最終模型打印效果，先通過(guò)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(jìn)行“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)打印。

3.3 打印輸出

在打印輸出過(guò)程中有幾個(gè)重要的階段：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)，通過(guò)打印機(jī)的配備，形成多個(gè)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(lái)計(jì)算的，除此之外，模型形狀、打印介質(zhì)和打印機(jī)的規(guī)格也會(huì)影響截面厚度。其次，采集所有切片的信息，構(gòu)建每一層三維模型切片，逐層將這些切片打印出來(lái);最后，將所有的切片堆疊起來(lái)，用不同的方式粘合成一個(gè)實(shí)體。其過(guò)程如下圖3所示：

3.4 后期處理

在打印的過(guò)程中，除了3D打印機(jī)規(guī)格會(huì)造成零件的殘缺之外，還有打印材質(zhì)、打印精度的不同也會(huì)造成成品的表面粗糙的現(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)打印出來(lái)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(jù)所學(xué)的知識(shí)將打印好的兩軸變速器的各個(gè)零部件模型進(jìn)行裝配，在裝配的過(guò)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(xué)中應(yīng)用起來(lái)更加方便，最后將所有的零件模型依靠真實(shí)的兩軸變速器進(jìn)行組裝，得到一個(gè)新的兩軸變速器教具模型。如圖所示：

4 教學(xué)應(yīng)用與教學(xué)評(píng)價(jià)

將打印好的三維變速器應(yīng)用到課堂中，老師通過(guò)設(shè)計(jì)教學(xué)和安排模型的應(yīng)用時(shí)間，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種輕松自由的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，將模型進(jìn)行實(shí)踐證明，得出了結(jié)論的正確性，老師方便快捷的將教具模型帶入課堂。所以，運(yùn)用3D打印技術(shù)，制作便攜、創(chuàng)意教具，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情;提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)

踐熱情，達(dá)到了“教、學(xué)、做”一體化的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

3D打印是一種新型的技術(shù)，教育領(lǐng)域是未來(lái)3D打印技術(shù)推廣的應(yīng)用市場(chǎng)，本文通過(guò)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(shù)在教育中構(gòu)建了“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)應(yīng)用模式，教具模型達(dá)到了精密化、智能化、通用化、輕量化、以及便捷化等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在汽車教學(xué)分析過(guò)程中提供了重要的理論分析和實(shí)踐指導(dǎo)意義。因此，3D打印技術(shù)將來(lái)必然成為教具模型生產(chǎn)領(lǐng)域的重要核心技術(shù)，最大化發(fā)揮其現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的作用。

參考文獻(xiàn)

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