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3D技术在教学中的应用

参赛方向: 3D设计与3D打印

参赛赛区: 江苏赛区

参赛组别: 教师组

参赛院校: 中国矿业大学徐海学院

参赛院系: 机电与材料工程系

参赛教师: 仝军令,王水林,梁斌,刘聪

项目简介
本团队在课堂、实践实训及第二课堂积极引入3D技术,进行教学改革,提高教学效果,取得了丰硕的成果。
项目详情

3D技术在教学中的应用

随着科学技术的不断发展,社会经济发展方式已经发证根本性的改变,数字化引导的技术革命,促使智能化的数字化技术从二维技术向三维技术的发展。我们团队积极进行教学改革,将3D技术引入课程,改革现有教学模式,提高学生的学习效果,取得了丰硕的成果。

一.在机械制图教学中的应用

图纸是机械工程师的语言。在机械制图的过程中,学生存在空间想象能力弱,二维和三维投影空间转换混淆等问题。因此在授课的过程中,将3D的手段运用于机械制图的教学过程中,收到了很好的效果。教师在引出二维制图的理论知识后,结合三维软件实现立体图形的绘制,具体看如下实例。

1.截交线和相贯线知识点

本知识点属于制图内容中的一个重难点,单从讲投影的方法晦涩难懂,上课中采用如图1所示。


图1 截交线和相贯线

2.组合体知识点

形体分析法是组合体绘制的一种重要方法,也是后续零件图和装配图读图和绘图的重要手段。

图2组合体

3.零件图

学习制图的最终目的和结果是能够独立绘制表达实体机械零件,同时也能够识别图纸。

图3 零件图

二.在制冷工程课程中的应用

通过3D打印的支持,教师能够将体验式教学方法引入到课程训练的过程中,将课本上难以触摸的或者难以具现化的内容打印成三维实物,加深学生理解。

如图4,对于空气螺杆压缩机的核心结构,内部的双螺杆结构为螺旋型配合进行工作。阴阳转子配合实现空气的压缩过程,如5所示。

图4 空气螺杆压缩机及双螺杆结构

       

图5 阴阳转子配合结构模型

三.减速器课程设计中的应用

减速器设计是一个传统的设计题目,在以往课程设计过程中,采用的实物讲解方式,但是实物存在体积大、质量重,不便携带的问题,讲解场所受限。因此,教师利用3D打印件给学生讲解减速器的传动原理、结构组成以及设计要点,将减速器搬入课设教室甚至可让学生带回,让学生更直观的了解和进行课程设计,取得良好效果,如图6、7所示。

    

图6 3D打印的二级减速器模型

 

图7 课程设计现场指导

四.模具综合实训中的应用

3D打印技术的引入,拓展了学生学的方法。学生可以将自己的设计与构思通过实体呈现出来,不仅培养了学生的设计及动手能力,还加深了对知识的理解与记忆,形成很好的良性循环。同时,通过3D打印可以将设计训练过程中的看不见摸不着的内容变为实物,使学生捕捉知识要点,在体验与实践中进行融会贯通,极大的促进了学生的思维能力和创新能力的提高。

由于模具设计的零件很多都是无参的模型或结构经过处理后的模型,与实际零件有一定差距;此外,由于模具加工费用较高,学生设计的模具很难实现全部加工,因此学生对自己设计的模具没有直观感受。

本实训通过引入三维扫描和3D打印技术,将现场的零件先进行数模扫描,处理后得到零件的三维模型,再进行模具设计,最后通过3D打印完成设计作品的展示,如图8所示。

     

 

8 三维扫描流程

五.在大学生创新创业训练计划项目中的应用

1.能量回收型减振器设计方案

该项目通过设计一种新型的叶轮式能量回收型减振器,将汽车的振动能量转换为电能,主要用于电动汽车上,补偿汽车的供电系统,达到节能减排的效果。

关键点为设计制作出活动叶片式叶轮装置。受汽车减振器整体尺寸的限制,叶轮装置的尺寸较小,这为叶轮装置的设计制作带来了不便。为了保证叶轮装置的工作效果,需要借助于3D打印技术进行样机试制、装配验证,如图9、10所示。

捕获33 捕获5

图9 总装配体三维模型

发电机

对话气泡: 圆角矩形: 发电机

变速器

对话气泡: 圆角矩形: 变速器

叶轮

对话气泡: 圆角矩形: 叶轮捕获44

图10 能量回收装置三维模型

主要零件3D打印及装配验证,如图11、12、13、14所示。

   

a.叶片            b.叶片限位块

   

c.上轮毂                          d.下轮毂

    

e.叶轮轴             f.空心活塞杆

g.空心活塞

图11主要零件3D打印

 

a.叶片与限位块装配         b.一组叶片、限位块与上轮毂装配

     

  c.叶片、限位块与上轮毂装配(叶片下摆) d.叶片、限位块与上轮毂装配(叶片上摆)

     

e.叶轮装置装配体(叶片下摆)                 f.叶轮装置体(叶片上摆)

图12 叶轮装置3D打印装配

 

图13 叶轮与叶轮轴3D打印装配

图14 空心活塞杆与活塞及叶轮3D打印装配


a.叶轮装置装配指导

b. 空心活塞杆与活塞及叶轮装配指导

图15 模型3D打印装配过程指导

模型3D打印及装配验证结果表明,设计方案可行,可以进一步进行实物样机试制,如图15、16、17所示。


图16 减振器实物零件


图17 减振器实物样机装配

2 立式旋转自行车停车架

梁斌、仝军令老师指导学生在参加第八届全国大学生机械创新大赛中,参赛作品为“”。如图18所示,该作品将自行车停靠方式由“传统平放”创新性地改为“立式停放”,可最大限度利用停放空间,同时采用智能控制系统,可实现自动存取。

轮胎夹爪

 
SHAPE \* MERGEFORMAT

18  立式旋转自行车停车架实物图

作为该作品的关键零部件,轮胎夹爪利用连杆机构带动夹片将车轮胎包住,同时贴近辐条来使自行车前轮固定并稳定提升。但是,由于其结构较为复杂,加工难度大、工时长、成本高。经过论证,我们决定采用3D打印技术进行实物建模。安装后,设备运行良好。

本团队将继续探索3D技术在教学中的应用,提高教学效果。


难点创新

1.将3D技术引入传统课程提高教学效果

2.利用3D技术的优势,充分发挥实践教学的作用,提高学生的动手能力

3.在第二课堂中,引入3D技术,充分发挥学生的创造力,提高学生的综合素质

成果成效
获得中国矿业大学教学成果奖二等奖,全国3D大赛优秀指导教师,指导学生参加大创项目3项,指导获得全国3D大赛一等奖2两项,二等奖两项,指导江苏省大学生机械结构创新设计大赛三等奖2项
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