3D打印技术在教学模型修复中的应用研究

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。

图2 构架内部的局部强度优化

3.2 修复效果对比

图3为设计模型与修复效果的对比图，从修复效果上看，应用3D打印技术修复后的教学模型质量能够满足日常教学的使用要求，整体修复效果良好。

4 结论

(1) 通过实际应用3D打印技术对教学模型的修复，可以看到修复后的模型质量能够满足日常教学的使用要求，修复过程的可操作性强、修复效率高、整体效果良好。

(2) 对模型进行修复可以提高师生的动手能力，达到资源合理利用的目的。

(3) 应用3D打印技术对教学模型进行修复有很强的实用性，具备推广应用的价值，也可以为今后进一步开展教具和实验实训设备的研制与开发积累经验。

图3 设计模型与修复效果的对比图

参考文献：

[1] 姜月菊,吕海军,杨晓毅,等.3D扫描与3D打印技术在破损建筑装饰构件修复中的应用[J].施工技术，2016(12):771-773.

[2] 杨蕴.浅谈3D打印技术在陶瓷类文物修复和复制中的应用[J].文物保护与考古科学，2015(5)：110-113.

[3] 舒欢.三维重建和3D打印在兵马俑修复中的应用[J].电子科学技术，2017(7)：160-163.

[4] 何原荣，潘火平，陈鉴知，等.宋代古船的三维激光扫描技术重建与模型3D打印[J].华侨大学学报(自然科学版)，2017(3)：245-250.

[5] 杨少龙，王运登，石斌.3D打印技术制作解剖病理模型在外科解剖教学及临床中的应用[J].郑州铁路职业技术学院学报，2017(3)：71-72.

[6] 黄华军，曾参军，李永欣.3D打印技术结合数字化技术在医学中的应用[J].广东科技，2014(15):57-59.