基于切片技术的三维实体模型制作的研究

龚玉玲+徐晓栋

摘 要：实体模型是《机械制图》教学中必不可少的教具，但是，三维实体模型比较难制作，基本采用成品模型，学生只是观摩和被动认知，学习效果比较差。因此，提出采用切片技术将复杂的三维数字模型转变成二维平面模型的叠加，再将其组装成三维实体模型。这种方式充分发挥了学生的主动学习能力和团队协作能力，学习效果良好。

关键词：数字模型；实体模型；切片技术；团队协作能力

中图分类号：TH126 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.127

文章编号：2095-6835（2016）20-0127-02

在《机械制图》教学中，三维数字模型和三维实体模型是必不可少的教具。三维数字模型容易学，容易掌握，但是，真实感比较差。虽然三维实体模型比较难制作，但是，真实感比较强，学生比较容易理解，两者相辅相成，取长补短，在《机械制图》教学中发挥了重要的作用。

对于三维数字模型，学生可以使用常用的AutoCAD等软件绘制完成；而对于三维实体模型，如果包含复杂的自由曲面、回转面三维模型，制作难度大，需要使用专用设备，否则无法加工，需要外协委托加工，制作复杂且成本高。因此，在教学工程中，基本是购买成品教具。另外，在教学过程中，如果学生的学习兴趣不浓厚，就很容易陷入被动的认知学习。这时，如果采用简单的方式引导学生参与制作复杂的三维模型，将所学用于所做，在学中做，在做中学，那么，无疑可以提高学生的学习兴趣，让学生加深和巩固对知识点的理解、掌握。本文提出了基于切片技术制作三维模型的想法，利用该技术，学生可以参与完成复杂的三维实体模型制作。

1 基于切片技术的制作原理

切片技术是借鉴快速成型原理，根据零件的几何特征，由相关规则构造不同方位、不同厚度的切片层，将复杂的三维模型转变成二维平面模型的叠加。而且它可以在不采用模具或复杂工具的条件下生成任何复杂形状的三维实体零件，极大地提高了三维实体零件制作的灵活性。

为了进一步提高三维模型的可制作性，降低制作成本，在制作过程中，可采用易剪切的纸板材料，切片层的图形不再用手工绘图，而采用打印机打印。这样，就可以降低制作难度和，提高制作效率。

2 基于切片技术的制作方法

基于切片技术的三维实体模型的制作流程是：①采用AutoCAD等软件制作三维数字模型；②采用“Slice”指令，由切片技术沿着某一方向将数字模型分割成n层；③提取每层的切片边界轮廓线；④将每层切片套料在A4打印纸上，然后用打印机打印出套料纸；⑤将套料纸张贴在硬纸板上，并切割下每层的形状图形；⑥将切割的纸板按照顺序堆积，即完成三维实体模型的制作。

采用切片技术制作模型时，切片方向、切片的厚度等因素会影响制作模型的效率和精度。

2.1 切片方向的影响

切片方向可以是任意方向，切片方向不同，切片形状不同，一般以容易剪切的方式为宜。以圆锥为例，分别沿着垂直和平行于中心轴线的方向切片。切片图形如图1所示。

由图1可知，（a）切片形状是圆，（b）切片形状是抛物线形和中心的等腰三角形。通过比对，（a）方式的圆形规则，容易切割和制作。

2.2 切片厚度的影响

切割层厚不一样，实体模型的制作效果也不一样。由2.1确定切片方向，选择图1（a）的方式，采用容易剪切的纸板制作，纸板的厚度为1 mm和0.2 mm，制作 的圆锥，切片层分别是200层和1 000层，制作图形如图2所示。

由图2可知，采用不同切片厚度制作模型时，当切片厚度厚时，显然精度比较低，显得粗糙，但是，制作效率高；当切片厚度薄时，模型精度高，但是，制作效率比较慢。当精度要求不高时，可以选择比较厚的纸板制作。

3 三维实体模型产品展示

根据机械制图中的剖切，相贯等比较难理解的知识点，制作图形如图3和图4所示。

采用切片技术，学生制作模型时有以下优势：①用简单的工具制作复杂的三维实体模型，降低制作成本，提高制作效率；②学生亲手制作模型，将对现成模型的被动学习转化成主动认知学习，以激发学生的学习兴趣；③根据切片技术，学生自行分析不同方向、不同层厚对模型的影响，以提高学生分析问题、解决问题的能力；④分层切片的形状能有效促进学生对剖切、相贯、辅助平面等重点、难点知识的理解和掌握，引导学生重视投影分析的方式，并理解各种复杂物体的形状；⑤采用切片技术分层切割后堆积，工作量大，学生分组然后团队协作完成，能够在一定程度上增强学生的团队合作意识。

4 结论

本文基于切片技术制作三维实体模型，可以利用简单的工具制作复杂的三维实体模型。采用纸板分层切割、剪裁，制作过程简单，容易操作，学生可以在制作过程中充分理解各个切片的形状。整个过程学生动手制作模型，将被动学习转化成自己动手主动学习的过程，充分调动学生的学习兴趣，加深对机械制图重点、难点等知识点理解和掌握，以增强学生的团队合作能力，取得了比较好的效果。

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