一款3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)教具設(shè)計(jì)

蘇士昌　鄒偉

摘 要：針對(duì)教師上《發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與檢修》這門課程教學(xué)時(shí)，存在理論教學(xué)效果不佳，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)教具來(lái)改善教學(xué)，該教具可完美展示發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理，具有體積小，質(zhì)量輕，方便攜帶等諸多優(yōu)點(diǎn)，解決了教師不能將沉重發(fā)動(dòng)機(jī)帶入課堂的難題，同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐效果證明，采用3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)教具教學(xué)可明顯提高該門課程學(xué)生的理論和實(shí)踐水平，具有很大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打印 發(fā)動(dòng)機(jī) 教具

Design of a 3D printing engine teaching aid

Su Shi-chang Zou Wei

Abstract：In view of the phenomenon that the theoretical teaching effect is not good and the students' interest in learning is not strong， a 3D printing engine teaching aid is designed to improve the teaching. The teaching aid can perfectly display the internal structure and working principle of the engine. It has many advantages such as small size， light weight， convenient carrying， etc.， which solves the problem that teachers can't solve， that is， the heavy engine cannot be carried into the classroom problems， while improving students' interest in learning. The practice results show that the use of 3D printing engine teaching aids can significantly improve the theoretical and practical level of students in this course， and has great promotion value.

Key words：3D printing， engine， Teaching aids

目前，大多數(shù)職業(yè)院校存在師資不足，實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的現(xiàn)象，且職業(yè)院校的定位是培養(yǎng)高技能人才，而目前大多數(shù)教師在教學(xué)時(shí)存在照本宣科現(xiàn)象，全程在講PPT，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃，不想聽(tīng)課[1-2]。其實(shí)，職業(yè)院校的教師們一直在做同一件事，怎樣提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有教師提出，把發(fā)動(dòng)機(jī)搬上講臺(tái)，可是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)重達(dá)上百斤，搬上講臺(tái)教學(xué)談何容易，如果不把發(fā)動(dòng)機(jī)搬上講臺(tái)，可學(xué)生聽(tīng)課一知半解，完全跟不上教師的節(jié)奏，學(xué)習(xí)效果差，對(duì)教師們的教學(xué)不滿意[3-5]。3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天航空、醫(yī)療器械、汽車、教學(xué)教具等領(lǐng)域，由于其應(yīng)用廣泛，故被廣大教學(xué)工作者所關(guān)注。眾所周知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤總成是由許多零部件組合而成，拆卸起來(lái)比較困難，不利于教學(xué)。因此，借助3D打印機(jī)打印汽車零部件模型運(yùn)用到教學(xué)中，就會(huì)讓學(xué)生在“教、學(xué)、做”三位一體中起到事半功倍的效果。為了改變這種現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)教具來(lái)改善教學(xué)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)教具設(shè)計(jì)思路

汽車零部件三維模型可通過(guò)正向建模造型技術(shù)和逆向工程技術(shù)進(jìn)行三維建模，正向造型可借助UG、PRO/E、SOLIDWORKS等軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，對(duì)于復(fù)雜曲面的零部件，正向造型過(guò)程中往往會(huì)比較困難，這時(shí)可通過(guò)逆向工程技術(shù)反向建模來(lái)設(shè)計(jì)零部件，需要運(yùn)用的工具有三維激光掃描儀，運(yùn)用的軟件有Geomagic Studio。三維造型之后，借助3D打印機(jī)打印三維模型即可得到需要的汽車構(gòu)造教具。教具設(shè)計(jì)主要是根據(jù)逆向工程三維掃描結(jié)合UG正向建模三維軟件設(shè)計(jì)教具模型，通過(guò)3D打印機(jī)打印成形[6]。其主要制作流程如下：3D掃描儀對(duì)實(shí)訓(xùn)教具進(jìn)行三維掃描→獲取點(diǎn)云→曲面重建→生成STL格式的三維立體模型→3D打印機(jī)打印。

2 逆向工程技術(shù)簡(jiǎn)介及操作過(guò)程

逆向工程在汽車零部件設(shè)計(jì)有著廣泛的應(yīng)用，特別是針對(duì)復(fù)雜曲面的零部件設(shè)計(jì)，正向三維建模軟件UG、Pro/E在設(shè)計(jì)時(shí)就存在較大困難，此時(shí)，采用逆向工程做反求可快速建模設(shè)計(jì)零部件，達(dá)到省時(shí)省力的作用。目前常用的掃描儀有兩類，一類是手持式三維掃描儀，另一種是三角坐標(biāo)式三維掃描儀，掃描可得到發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的點(diǎn)云，導(dǎo)入到Geomagic Studio中，對(duì)質(zhì)量不好的點(diǎn)云進(jìn)行刪除，得到精確點(diǎn)云，對(duì)好的點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)得到三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行精度誤差分析，誤差在合理范圍內(nèi)，導(dǎo)出模型，以STL格式保存，逆向工程反求設(shè)計(jì)的部分發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型如圖2所示。

3 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)是一種新興制造技術(shù)，與傳統(tǒng)減材技術(shù)制造不同的是3D打印技術(shù)通過(guò)逐層增加材料生成三維實(shí)體模型的技術(shù)，它是以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)，依靠金屬粉末或塑料等可粘合材料逐層疊加堆積成形，故又稱增材制造。3D打印技術(shù)融合了機(jī)電控制、材料科學(xué)、機(jī)械制造等多學(xué)科知識(shí)于一體的新興技術(shù)，代表了未來(lái)高端制造的發(fā)展方向。圖3是3D打印技術(shù)工作原理圖。

（1）3D打印流程簡(jiǎn)介

首先，要獲得CAD三維模型，對(duì)于CAD三維模型的獲取通?？刹扇≌蚪；蚍辞蟮玫剑Ｓ玫恼蚪＼浖?，如UG、Pro/e、Catia、Solidworks等三維建模軟件。逆向工程是利用三維掃描設(shè)備掃描已有的實(shí)物，在實(shí)物的基礎(chǔ)上求出其三維CAD模型，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤構(gòu)造總成設(shè)計(jì)，反求是一種行之有效的好辦法，可解決正向設(shè)計(jì)中的一些難題，為3D打印汽車零部件模型提供幫助，圖4為產(chǎn)品反向設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖。對(duì)獲得的CAD模型進(jìn)行輸出，通常CAD軟件中都帶有輸出STL格式的文件。

（2）CAD模型的切片處理

切片軟件一般都選擇Cura軟件進(jìn)行切片處理，模型的最小層厚由打印機(jī)和材料性能共同決定，較少的層厚能獲得較高的打印產(chǎn)品精度，相反，增大打印層厚會(huì)降低模型精度，但會(huì)節(jié)省時(shí)間。

（3）3D打印機(jī)打印

在Cura軟件中設(shè)置好參數(shù)以后，導(dǎo)出分層后的文件，存儲(chǔ)3D打印機(jī)中進(jìn)行打印成形，一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件就打印成形了。

（4）成形零件的后處理

3D打印機(jī)打印成形物品后，往往會(huì)有支撐，必須去除支撐物。如果對(duì)教具的表面質(zhì)量要求較高，還必須對(duì)齊進(jìn)行打磨、拋光、上色、噴漆等處理。圖5、圖6為3D打印成形后的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件圖。

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

4.1 自制教具的制作過(guò)程應(yīng)用

對(duì)于規(guī)則的零部件，采用常用三維建模軟件UG、PRO/E、SOLIDWORKS等三維建模軟件建模即可，對(duì)于不規(guī)則的復(fù)雜曲面的零部件，采用逆向建模思路進(jìn)行建模。首先，用三維掃描儀掃描要建模的三維零部件，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，曲面重構(gòu)得到三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行精度分析，達(dá)標(biāo)的零部件以STL格式的形式輸出，最后3D打印機(jī)打印。注意，學(xué)生在三維建模過(guò)程中一定要將自己設(shè)計(jì)的三維模型發(fā)送給老師，老師對(duì)同學(xué)們進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

4.2 教學(xué)實(shí)踐效果

為了檢測(cè)教具使用對(duì)課堂教學(xué)效果的評(píng)價(jià)，特采取了問(wèn)卷調(diào)查的形式發(fā)放問(wèn)卷于汽修專業(yè)班級(jí)80位同學(xué)，問(wèn)卷內(nèi)容主要是發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造知識(shí)點(diǎn)，80位同學(xué)來(lái)自同年級(jí)兩個(gè)班級(jí)，一個(gè)是使用教具教學(xué)的班級(jí)，另一個(gè)班級(jí)為對(duì)照組。從收上來(lái)的問(wèn)卷試卷得分程度來(lái)看，采用教具教學(xué)的班級(jí)分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未采用教具教學(xué)的班級(jí)，主要原因是傳統(tǒng)式教學(xué)是“填鴨式”純理論教學(xué)，采用教具教學(xué)打破了這種局面，使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正做到讓學(xué)生們喜歡這門課程。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮同學(xué)們的主觀能動(dòng)性和想象力，提高同學(xué)們的實(shí)踐動(dòng)手水平，學(xué)?？啥ㄆ谂e辦3D打印大賽，同學(xué)們可利用課余時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)本專業(yè)的教具，并隨時(shí)咨詢請(qǐng)教專業(yè)老師進(jìn)行問(wèn)題咨詢及技術(shù)指導(dǎo)。

此外，方便攜帶的3D打印教具對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)產(chǎn)生較大的促進(jìn)作用，3D打印教具可完美應(yīng)用在汽車、機(jī)械類專業(yè)，就拿汽車和機(jī)械專業(yè)來(lái)說(shuō)，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)車床的價(jià)格就不菲，但性價(jià)比不高，除了拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)用，平時(shí)都是閑置的，即費(fèi)錢又浪費(fèi)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地。3D打印設(shè)備可將復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備零散化，省錢又便于教學(xué)，且教學(xué)效果比傳統(tǒng)教學(xué)效果好。

5 結(jié)束語(yǔ)

3D打印教具的推廣彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生們創(chuàng)新能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力的培養(yǎng)，在課堂上讓學(xué)生們接觸3D打印模型可讓學(xué)生們更加容易理解和掌握，知識(shí)點(diǎn)也會(huì)顯得生動(dòng)有趣，改變了傳統(tǒng)工科教學(xué)呆板的局面，使教學(xué)過(guò)程顯得生動(dòng)有趣，同時(shí)也會(huì)讓同學(xué)們發(fā)揮無(wú)限想象來(lái)構(gòu)思機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，理論穿插實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力十足。美中不足的是，目前3D打印機(jī)技術(shù)還不是很成熟，許多方面還需進(jìn)一步提高，未來(lái)將有無(wú)限的可能推廣在教育教學(xué)應(yīng)用上。

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