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摘 要：通过分析轨道交通设备拆装实践教学的需求，提出应用3D打印技术构建设备模型并完成设备拆装实训的辅助教学手段，介绍了装备零部件数字化建模的方法、3D打印的过程以及利用打印模型完成拆裝实践教学。教学实践表明，通过3D打印技术辅助设备拆装明显提高了拆装实训的教学效果，减少了对实际大型设备的依赖，也大大降低了实训成本。3D打印技术的应用使学生对设备构造及原理了解更加深刻，直接提升了学生工程实践和数字化创新设计能力。
关键词：3D打印;数字化建模;轨道交通;拆装实训
近年来，我国轨道交通快速发展带动了相关装备制造的更新换代，相关行业的从业人才需求量也逐渐增加。然而，受学校场地、设备等硬件条件的限制，高校单纯靠现有少量实验设备，且学生实践时间远远不够，容易造成毕业生技能掌握不牢，从而影响毕业学生的综合发展。因此，开发能提升学生技能的实训项目，提升学生动手能力，满足新时期轨道企业制造企业的人才需求成为一项重要课题[1]。综上所述，本文提出了利用3D打印技术，进行轨道设备三维建模并打印模型，完成模型拆装的仿真实训教学方法，在拆装实训中，可以通过SolidWorks三维建模软件完成零部件建模过程，展示设备机械部件构造、工作原理，讲解和演示拆装的操作步骤，切实让学生动手操作3D打印设备打印零部件并完成拆装，直观的让学生理解设备的构造，还能弥补真实设备过大、不安全而无法进行实践的不足，提升了实操训练的综合效率，增加了学生的学习兴趣，更好的完成了课程的预期目标[2]。
1 3D打印技术融入轨道交通设备拆装教学应用分析
1.1高职轨道交通设备实训中存在的问题
因为轨道交通设备拆装实训具有成本高、占用场地大、持续时间长以及安全要求高等特征，所以进从保护学生安全的角度行拆装实训过程中往往采用分组拆装教学，这样致使单个学生的实训时间压缩，很难达到预期教学目标。同时，实训基地设备有限，在拆装过程中如果拆装不当，会使增加实训设备的损坏率与事故率，这些都为正常的实教学践带来不便。
1.2利用3D打印技术实现轨道交通设备拆装教学的优势
轨道交通相关实训教学过程中应用3D打印技术将传统的大型不易拆装的设备进行三维建模，在计算机控制下，利用数字化模型直接驱动快速打印出实物模型。
（1）打印的模型材质轻，零部件按比例缩小，易于在课堂上实现“人手一台设备”。
（2）可以提升学生重新认识设备，提升教学效果。3D打印技术的引入能够很好的加强学生对实训内容的理解，能够提高其动手能力
（3）3D打印技术的应用还能减少制造类、检修类的拆装实训的花费，也使传统的拆装实训教学更安全。
2 打印轨道交通装备零部件实现拆装实训的关键技术
3D打印技术支持设备拆装实训是将真实设备拆装过程扩展为设备的三维数字化建模、采用计算机软件仿真装配全过程、打印零部件模型以及将模型组件用以完成装配等步骤，实现了不完全依赖与现实场景一致的拆装实训，同时又用缩放版模型还原了真实的拆装过程[3]。主要包括以下几个方面内容：
（1）采集设备特征参数。
a）测绘;
b）三维扫描。
（2）完成零部件的建模工作。
a）正向三维建模;
b）逆向反求建模。
（3）导入模型文件设置相关参数进行打印。
（4）将打印出的模型组件进行装配出产品模型。
2.1 采集设备特征参数
采集设备特征参数一般有两种方式，如果有现成的设备或者有现成的图纸信息，可直接对设备或者模型进行实地测绘，采用直接正向建模设计，学生还可以进行不断修改和优化设计来得到理想的三维数字化模型;如果无图纸或者图纸信息不全，可以利用三维扫描仪将现有设备进行扫描来生成和采集相关数据，采用逆向数据采集反求建模。无论正向还是逆向都是先进的数字化建模技术的重要手段。
2.2 数字化三维建模工作
2.2.1正向三维建模
作为维修专业学生在学习维修轨道交通设备课程中存在诸多问题，例如图纸装配信息表达不直观、不彻底、不能共享、真实设备笨重且操作存在诸多安全隐患，去企业现场培训成本高、培训时间长等，这些问题可以通过引入三维建模软件如SolidWorks并结合3D打印得到很好的解决。
操作者可先利用SolidWorks软件完成零部件的三维模型绘制，在软件中亲自对每一个零件进行建模绘制，完成装配，在虚拟环境中进行维修工作的“预实践”，为维修人员提供有效的模拟技术支持[4]，为后续将完成的零部件模型信息导入3D打印机实现零件快速成型做准备。学生完成的三维建模的部分零件图如下图1。
2.2.2逆向建模
逆向建模主要包括数据采集、数据处理和模型的数字化重建，使用配套彩色扫描仪，对模型进行数据采集与处理，先给原始模型贴标记点进行空间定位，再使用扫描仪准备捕捉模型的点云数据，再利用软件将导入的数据转换为原生solidworks文件格式，还可以在导入草图文件进行适当的创新设计，在不影响设备功能的前提下，鼓励学生适当的进行结构创新。
SolidWorks包含的逆向工程基本工具主要有：
（1）ScanTo3D 功能，用于从扫描的点云和网格数据导入、编辑、评估和创建实体几何体。
（2）曲面工具，支持创建和编辑复杂的几何体，包括美观的曲率连续 （C2） 曲面。
（3）导入和重用 Adobe? Illustrator? 生成的概念。
（4）自动跟踪，用于导入纸质草图的图像文件以开始用户的设计。 （5）将导入的数据转换为原生 SolidWorks 文件格式。
（6）几何体比较工具，用于更好地了解扫描的不同设计。
（7）模具设计工具，用于创建必要的工模具以生成塑料、铸造、锻造和其他零件，导出数据用于快速制造样机。
2.3 导入模型文件、设置相关参数进行打印
将SolidWorks完成建模的三维零件导出为STL文件;再利用3D机配套切片软件，对导入的零件模型进行切片分层，并完成一系列参数设置，支撑设置，完成设置后，准备好打印材料，预热打印机，开始打印，最后对完成打印的模型进行后处理。
2.4 模型组件进行装配
对于教学中内部结构展示不够清晰，设备笨重拆卸不便的装配体，可以将设备拆分成若干零部件分别采用3D打印完成零部件模型的打印，再将较为轻便娇小的零部件组装完成装配，让学生亲身体验从设计到快速制造的完整过程，将拆装实训教学、创新设计与3D打印结合起来，既可以大大提升学生认识设备结构原理、动手拆装设备的实践能力，又可以激发学生自主设计创作，实现个性化产品设计制造的兴趣。
3 转向架拆装实训教学案例分析
3.1 转向架三维模型数据采集及建模
本文以动车转向架三维模型的装配为例，在现场教学环节，让学生完成对现有的转向架教学模型进行分小组实地测绘，需要拆解转向架所有零部件逐一进行三维建模，可以在利用SolidWorks软件建模过程中非常直观的绘制和熟悉零部件每一个特征，软件交互性好，可以任意缩放、旋转零部件，直观的掌握零部件细节，完成solidworks模型建立之后，将其另存为STL文，为后续3D打印零部件做准备。部分零部件及三维装配体如图2所示。
3.2 转向架3D打印零部件及组装
（1）将SolidWorks完成建模的三维零件导出为STL文件;
（2）打开太尔时代3D打印机专用的切片软件UP studio将模型导入其中;
（3）对模型进行基本参数设计，设置支撑等;
本次使用的是太尔时代3D打印机（UP系列），该打印机速度快、稳定、打印精度高，适合于教学、模具打样、动漫玩具制作等（如下图3所示）。UP软件具有智能支撑技术，软件可以自动生成支撑结构，可以打印出非常容易去除的支撑。同时，支持用户方便的进行参数调整。
（4）预热机器，温度预热至230摄氏度左右即可开始打印，最后完成后处理。将打印的所有零部件进行组装，得到按比例缩小的转向架模型（如图4所示）。
3.3 打印模型拆装实训及教学效果
基于数字化建模的3D打印实践教学不仅适用于拆装、机械设计、制造等实践课程，还可以让不同专业的学生通过自己设计感兴趣的模型，自己打印产品来完成创新设计等实践教学课程，让学生接触到三维建模、逆向建模等先进数字化技术和3D打印的先进制造技术，掌握了从“创意构思，数字化设计，3D打印，优化，组装成品”的完整过程，从而激发了创新意识，提高了实践学习的热情，促进了对设备拆装教学的效果[5]。教学效果明显提升，学生拆装实训成绩有了较大的提高，学生课余时间在老师的指导下，自主设计了部分比较实用的小物件，进行3D打印，部分作品展示如图5所示。
4 结语
通过分析3D打印技术融入轨道交通设备拆装实践教学优势，利用了Solidworks三维建模软件，自制了轨道交通装备仿真模型拆装教学零部件，让学生对轨道交通装备各零部件基本结构的认识与交通装备工作原理的理解显著提高，降低了拆装实训的成本，更合理的利用了實践教学场地与现有教学资源，增强了学生综合工程实践能力，为学生日后解决工程实际问题打下了良好的基础。
参考文献：
[1]刘树峰，张广玲，李光提，吕钊钦.虚实结合汽车发动机拆装实训教学模式研究[J].实验室科学，2018，21（05）：111-114.
[2]李爱娜，骆仕斌.虚拟实训在高职模具专业中的实践与探索[J].时代教育，2016（01）：240-241+2.
[3]冯锐.3D打印技术在计算机辅助制造课程教学中的应用[J].价值工程，2017，36（10）：167-168.
[4]李刚.SolidWorks软件在机械工程中的应用[J].机械管理开发，2018，33（08）：147-149.
[5]黄海龙，曲晓海，杨洋.工程训练拆装实训教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：147-150.
基金项目：武汉铁路职业技术学院校级重点课题（项目编号：Z2019002）
作者简介：程芬（1987— ），女，湖北黄冈人，教研室主任，讲师，从事机械电子工程、职业技术教育研究。
关键词：3D打印;数字化建模;轨道交通;拆装实训
近年来，我国轨道交通快速发展带动了相关装备制造的更新换代，相关行业的从业人才需求量也逐渐增加。然而，受学校场地、设备等硬件条件的限制，高校单纯靠现有少量实验设备，且学生实践时间远远不够，容易造成毕业生技能掌握不牢，从而影响毕业学生的综合发展。因此，开发能提升学生技能的实训项目，提升学生动手能力，满足新时期轨道企业制造企业的人才需求成为一项重要课题[1]。综上所述，本文提出了利用3D打印技术，进行轨道设备三维建模并打印模型，完成模型拆装的仿真实训教学方法，在拆装实训中，可以通过SolidWorks三维建模软件完成零部件建模过程，展示设备机械部件构造、工作原理，讲解和演示拆装的操作步骤，切实让学生动手操作3D打印设备打印零部件并完成拆装，直观的让学生理解设备的构造，还能弥补真实设备过大、不安全而无法进行实践的不足，提升了实操训练的综合效率，增加了学生的学习兴趣，更好的完成了课程的预期目标[2]。
1 3D打印技术融入轨道交通设备拆装教学应用分析
1.1高职轨道交通设备实训中存在的问题
因为轨道交通设备拆装实训具有成本高、占用场地大、持续时间长以及安全要求高等特征，所以进从保护学生安全的角度行拆装实训过程中往往采用分组拆装教学，这样致使单个学生的实训时间压缩，很难达到预期教学目标。同时，实训基地设备有限，在拆装过程中如果拆装不当，会使增加实训设备的损坏率与事故率，这些都为正常的实教学践带来不便。
1.2利用3D打印技术实现轨道交通设备拆装教学的优势
轨道交通相关实训教学过程中应用3D打印技术将传统的大型不易拆装的设备进行三维建模，在计算机控制下，利用数字化模型直接驱动快速打印出实物模型。
（1）打印的模型材质轻，零部件按比例缩小，易于在课堂上实现“人手一台设备”。
（2）可以提升学生重新认识设备，提升教学效果。3D打印技术的引入能够很好的加强学生对实训内容的理解，能够提高其动手能力
（3）3D打印技术的应用还能减少制造类、检修类的拆装实训的花费，也使传统的拆装实训教学更安全。
2 打印轨道交通装备零部件实现拆装实训的关键技术
3D打印技术支持设备拆装实训是将真实设备拆装过程扩展为设备的三维数字化建模、采用计算机软件仿真装配全过程、打印零部件模型以及将模型组件用以完成装配等步骤，实现了不完全依赖与现实场景一致的拆装实训，同时又用缩放版模型还原了真实的拆装过程[3]。主要包括以下几个方面内容：
（1）采集设备特征参数。
a）测绘;
b）三维扫描。
（2）完成零部件的建模工作。
a）正向三维建模;
b）逆向反求建模。
（3）导入模型文件设置相关参数进行打印。
（4）将打印出的模型组件进行装配出产品模型。
2.1 采集设备特征参数
采集设备特征参数一般有两种方式，如果有现成的设备或者有现成的图纸信息，可直接对设备或者模型进行实地测绘，采用直接正向建模设计，学生还可以进行不断修改和优化设计来得到理想的三维数字化模型;如果无图纸或者图纸信息不全，可以利用三维扫描仪将现有设备进行扫描来生成和采集相关数据，采用逆向数据采集反求建模。无论正向还是逆向都是先进的数字化建模技术的重要手段。
2.2 数字化三维建模工作
2.2.1正向三维建模
作为维修专业学生在学习维修轨道交通设备课程中存在诸多问题，例如图纸装配信息表达不直观、不彻底、不能共享、真实设备笨重且操作存在诸多安全隐患，去企业现场培训成本高、培训时间长等，这些问题可以通过引入三维建模软件如SolidWorks并结合3D打印得到很好的解决。
操作者可先利用SolidWorks软件完成零部件的三维模型绘制，在软件中亲自对每一个零件进行建模绘制，完成装配，在虚拟环境中进行维修工作的“预实践”，为维修人员提供有效的模拟技术支持[4]，为后续将完成的零部件模型信息导入3D打印机实现零件快速成型做准备。学生完成的三维建模的部分零件图如下图1。
2.2.2逆向建模
逆向建模主要包括数据采集、数据处理和模型的数字化重建，使用配套彩色扫描仪，对模型进行数据采集与处理，先给原始模型贴标记点进行空间定位，再使用扫描仪准备捕捉模型的点云数据，再利用软件将导入的数据转换为原生solidworks文件格式，还可以在导入草图文件进行适当的创新设计，在不影响设备功能的前提下，鼓励学生适当的进行结构创新。
SolidWorks包含的逆向工程基本工具主要有：
（1）ScanTo3D 功能，用于从扫描的点云和网格数据导入、编辑、评估和创建实体几何体。
（2）曲面工具，支持创建和编辑复杂的几何体，包括美观的曲率连续 （C2） 曲面。
（3）导入和重用 Adobe? Illustrator? 生成的概念。
（4）自动跟踪，用于导入纸质草图的图像文件以开始用户的设计。 （5）将导入的数据转换为原生 SolidWorks 文件格式。
（6）几何体比较工具，用于更好地了解扫描的不同设计。
（7）模具设计工具，用于创建必要的工模具以生成塑料、铸造、锻造和其他零件，导出数据用于快速制造样机。
2.3 导入模型文件、设置相关参数进行打印
将SolidWorks完成建模的三维零件导出为STL文件;再利用3D机配套切片软件，对导入的零件模型进行切片分层，并完成一系列参数设置，支撑设置，完成设置后，准备好打印材料，预热打印机，开始打印，最后对完成打印的模型进行后处理。
2.4 模型组件进行装配
对于教学中内部结构展示不够清晰，设备笨重拆卸不便的装配体，可以将设备拆分成若干零部件分别采用3D打印完成零部件模型的打印，再将较为轻便娇小的零部件组装完成装配，让学生亲身体验从设计到快速制造的完整过程，将拆装实训教学、创新设计与3D打印结合起来，既可以大大提升学生认识设备结构原理、动手拆装设备的实践能力，又可以激发学生自主设计创作，实现个性化产品设计制造的兴趣。
3 转向架拆装实训教学案例分析
3.1 转向架三维模型数据采集及建模
本文以动车转向架三维模型的装配为例，在现场教学环节，让学生完成对现有的转向架教学模型进行分小组实地测绘，需要拆解转向架所有零部件逐一进行三维建模，可以在利用SolidWorks软件建模过程中非常直观的绘制和熟悉零部件每一个特征，软件交互性好，可以任意缩放、旋转零部件，直观的掌握零部件细节，完成solidworks模型建立之后，将其另存为STL文，为后续3D打印零部件做准备。部分零部件及三维装配体如图2所示。
3.2 转向架3D打印零部件及组装
（1）将SolidWorks完成建模的三维零件导出为STL文件;
（2）打开太尔时代3D打印机专用的切片软件UP studio将模型导入其中;
（3）对模型进行基本参数设计，设置支撑等;
本次使用的是太尔时代3D打印机（UP系列），该打印机速度快、稳定、打印精度高，适合于教学、模具打样、动漫玩具制作等（如下图3所示）。UP软件具有智能支撑技术，软件可以自动生成支撑结构，可以打印出非常容易去除的支撑。同时，支持用户方便的进行参数调整。
（4）预热机器，温度预热至230摄氏度左右即可开始打印，最后完成后处理。将打印的所有零部件进行组装，得到按比例缩小的转向架模型（如图4所示）。
3.3 打印模型拆装实训及教学效果
基于数字化建模的3D打印实践教学不仅适用于拆装、机械设计、制造等实践课程，还可以让不同专业的学生通过自己设计感兴趣的模型，自己打印产品来完成创新设计等实践教学课程，让学生接触到三维建模、逆向建模等先进数字化技术和3D打印的先进制造技术，掌握了从“创意构思，数字化设计，3D打印，优化，组装成品”的完整过程，从而激发了创新意识，提高了实践学习的热情，促进了对设备拆装教学的效果[5]。教学效果明显提升，学生拆装实训成绩有了较大的提高，学生课余时间在老师的指导下，自主设计了部分比较实用的小物件，进行3D打印，部分作品展示如图5所示。
4 结语
通过分析3D打印技术融入轨道交通设备拆装实践教学优势，利用了Solidworks三维建模软件，自制了轨道交通装备仿真模型拆装教学零部件，让学生对轨道交通装备各零部件基本结构的认识与交通装备工作原理的理解显著提高，降低了拆装实训的成本，更合理的利用了實践教学场地与现有教学资源，增强了学生综合工程实践能力，为学生日后解决工程实际问题打下了良好的基础。
参考文献：
[1]刘树峰，张广玲，李光提，吕钊钦.虚实结合汽车发动机拆装实训教学模式研究[J].实验室科学，2018，21（05）：111-114.
[2]李爱娜，骆仕斌.虚拟实训在高职模具专业中的实践与探索[J].时代教育，2016（01）：240-241+2.
[3]冯锐.3D打印技术在计算机辅助制造课程教学中的应用[J].价值工程，2017，36（10）：167-168.
[4]李刚.SolidWorks软件在机械工程中的应用[J].机械管理开发，2018，33（08）：147-149.
[5]黄海龙，曲晓海，杨洋.工程训练拆装实训教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：147-150.
基金项目：武汉铁路职业技术学院校级重点课题（项目编号：Z2019002）
作者简介：程芬（1987— ），女，湖北黄冈人，教研室主任，讲师，从事机械电子工程、职业技术教育研究。