3D打印技术在教学模型修复中的应用研究

2018-06-04可心萌班希翼张天彤牛晨旭

机械工程与自动化 2018年3期

可心萌，班希翼，张天彤，牛晨旭

(郑州铁路职业技术学院，河南郑州 451460)

1 概述

3D打印技术是快速成型技术的一种，它是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[1-2]。随着近几年3D打印技术的不断成熟和推广，该技术在工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗等领域都有所应用[3-6]。

教学模型是日常教学工作中的重要工具，可以帮助学生直观理解和感受教学内容，是提高课堂和实训教学效果的有效方法。教学模型在实际使用过程中，不可避免地会遭到一定程度的损坏，尤其是在移动和搬运过程中容易造成较大程度的破坏。如果不能及时地对受损的教学模型进行必要的修复，就会影响日常的教学工作，甚至造成模型弃用和重新购买，形成资源的严重浪费。

综上所述，应用3D打印技术开展教学模型修复工作的相关研究，既能提高师生对教学模型重要结构的立体认知和动手能力，又能避免教学模型的重复购买，并为高校开展教学模型和实验实训设备的研制与开发积累经验。

2 基于3D打印的模型修复技术

2.1 修复方法分析

传统的教学模型修复一般根据损坏程度的不同采用胶粘、焊接、局部补做等方式，需要专业的工具和较强的操作技巧，多数以委托校外专业人员修复的方式进行。与之相比，基于3D打印的模型修复具有成型速度快、完整度高、简单易学的特点，能够很好地对模型损坏的局部进行整体还原，可操作性和修复效率都有明显提升，非常适合具备一定计算机基础的高校师生使用。需要注意的是，3D打印机由于成型原理和规格成本的不同，对修复件的尺寸大小、材料成份有一定的限制。但是考虑到常用教学模型多为比例缩小的塑料制品，应用3D打印技术对教学模型进行修复完全可以满足此类修复的需要。

2.2 修复流程

基于3D打印技术的模型修复，首先需要根据教学模型的受损程度确定修复件及更换件，通过模型拆解和损坏部件测量，建立相应的三维模型。在充分考虑功能及经济性的基础上，依据不同部件确立相应的修复方案，选择适应的打印设备及材料进行3D打印。最后进行部件组装和结构测试，使教学模型恢复正常使用功能，具体修复的流程见图1。

图1 应用3D打印技术修复教学模型的流程图

3 基于3D打印的模型修复应用

从教学实际情况出发，针对教学模型日常使用和移动中的损坏等问题，应用3D打印技术对城轨车辆核心部件转向架模型进行修复，其修复情况如下。

3.1 修复过程

(1) 修复对象的确定。针对转向架模型的结构特点和损坏程度，将修复对象分为三类：①以构架为代表的大型断裂面，一方面采取断面粘接的方式，另一方面通过受力分析对强度薄弱位置进行局部强化；②以螺栓安装座为代表的小型断裂部件，选择整体打印的方式对受损部件进行整体还原和替换；③以抗侧滚扭杆臂为代表的缺失部件，一般根据部件尺寸的大小，采取整体打印或拆分打印等方式进行还原。

(2) 修复件的测量和建模。在确定修复对象后，首先需要对准备打印的部件进行测量和设计，以确定模型打印的形状和尺寸；其次采用主流的三维建模软件SolidWorks对打印部件建模，模型建立后进行必要的强度分析。图2为构架断裂面内部的局部强度优化。

(3) 修复部件的分析和打印。将分析合格的三维模型文件在SolidWorks软件中另存为3D打印机可以识别的“.stl”文件格式，然后在3D打印机的专用软件中进行切片和分析，最后完成打印。