基于3D打印技术的机械基础实验室方案研究

郑耿乐

摘 要：在机类基础课程学习过程中，常用零部件、传动机构、常用机构是教学的重要部分，需要学生知道其结构、原理和常见故障排除。

关键词：3D打印；机械基础

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）05-014-01

在机类基础课程学习过程中，常用零部件、传动机构、常用机构是教学的重要部分，需要学生知道其结构、原理和常见故障排除。而在培训和教学过程中如何让专业基础课程更加紧贴专业课、更加紧贴生产实际，成为必须面对的问题。为提高《机械基础》实验课程教学水平，笔者提出了一种基于3D打印技术的实验室建设方案。

一、方案总体设想

机械基础半实物仿真实验室系统由3d打印模块和仿真设计模块组成。仿真设计模块的主要作用是提供一个原理演示和仿真设计环境，逼真地再现学生在实验过程中看到的情况，并通过显示系统达到与操作者实时互动，让学生产生身临其境的感觉。根据仿真实验室系统的作用，对系统提出如下功能要求：建立一个逼真的虚拟环境，包括自然环境、工作环境和实验环境；能够达到人机互动，并通过显示终端实时显示实验状态；事件特殊效果的显示和运动碰撞检测响应与实际情况相符。3d打印模块包含3d打印机硬件、驱动程序和模型优化程序组成，可完成仿真设计模块设计的零部件。在仿真设计模块中用户管理模块完成对使用者（学生）和管理者基本信息、学习进度、考核情况等基本信息进行管理。原理学习模块包含文字、图片、视频等多媒体素材，按照《机械基础应用》教材章节进行编排。学生可通过目录和关键词检索两种方式学习、查阅相关知识。为开阔学生视野在原理学习模块还将编排部分拓展内容。在虚拟实验模块中学生可以通过鼠标拾取、点击菜单等方式完成预定实验。参数化设计模块将利用soliderworks提供的动态链接库进行二次开发，学生通过勾选、指定输入等方式来完成常见机械零部件的设计和三维形体展示。在3d打印模块中模型优化程序完成3d模型格式的转换和面数的优化。系统总体组成框图如图1所示。

图1系统总体组成框图

图2 软件功能组成框图

机机械基础半实物仿真实验室系统软件部分依靠unity3d引擎采用Visual C#来进行开发。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技术WPF，采用XAML语言来进行编写，数据库管理部分采用SQL2008来进行存储。为提高程序开发效率采用模块化编程思想，软件模块划分如图二所示。

二、方案设计关键技术

1、3D打印技术

3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2、unity3d虚拟仿真技术

Unity3d是Unity Technologies开发的一款跨平台虚拟仿真开发工具，是一个全面整合的专业三维引擎。该引擎支持DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染通道，支持所有主要三维文件格式，并能和大部分相关应用程序协调工作。运用C#编写的脚本可以灵活实现多种虚拟仿真应用，仿真部分程序总体流程可参考如图3所示。

3D打印技术可以在机械基础传统的实物实验室和虚拟实验室直接架起一座桥梁，既解决传统实物实验室造价高不以维护的难题，同时也可解决虚拟实验室真实性不足的问题。