浏览数:109

逆向课程项目式教学案例制作

参赛方向: 3D设计与3D打印

参赛赛区: 甘肃赛区

参赛组别: 教师组

参赛院校: 兰州理工大学

参赛院系: 机电工程学院

参赛教师: 郑敏,魏兴春,宋波,何天经,王林军

项目简介

逆向工程与快速成型技术以实用性和高效性已广泛应用于汽车、航天航空、模具、生物医学等领域,随着三维扫描与3D打印的发展,课程在人才培养方案中有着重要的地位和作用。作为课程在实际教学中如何以学生为中心开展相关教学活动,使用深入浅出的案例调动学生学习主动性,了解知识前沿具有十分重要的实用价值。该项目创新点在于通过实物案例,积极引导学生动手、动脑,开展相关创新实践工作。本项目的开展具体体现在以下三方面:

1)从逆向工程、快速成型技术的基本理论出发,研究讨论创造性思维、创造原理以及创造方法,使了解国内外逆向工程领域及相关行业的发展状况,具备一定的调研能力和查阅资料能力;

2)了解逆向工程的方法和过程,快速成型制造技术,具备使用逆向工程软件Geomagic及三维软件进行相关的数据处理及三维建模工作的计算机综合应用能力;

3)通过兰州理工大学CAD创新设计大赛全国三维数字化创新设计大赛等赛事的典型综合案例分析,引导学生开展创新设计实践,培养学生的创新意识,从多角度探讨并引导学生具备一定的产品创新设计能力,从而提高学生的综合创新设计能力。

项目详情

通过逆向工程技术研究和应用的最新进展,实物样件的数字化、数据处理、模型重构等过程的理论基础、原理方法和专业软件的学习,使学生掌握逆向工程测量及数据处理、建模及产品创新设计过程,帮助学生区分正向和逆向设计,以及测量设备和逆向造型软件的使用技巧及造型设计特点等,使学生具备利用相关设备进行逆向设计的基本能力,为后续课程的学习奠定基础。

课程的教学活动分解设计为若干任务,以项目式任务为载体组织教学。

基本训练以连接法兰为例,创新训练以股骨的三维重构为例。基本训练通过具体零件的数据采集、数据处理过程,引导学习相关专业理论知识,使学生在完成各个项目训练的过程中熟练使用数据采集工具及数据处理软件,循序渐进地理解专业知识和技能的应用,培养学生综合能力。创新训练将DICOM格式的CT图层数据导入医学工程软件MIMICS中,通过设定阈值、区域分割、手动分割以及填充等操作,将需要的骨骼与其他骨骼组织分离开,所分离出的骨骼形成新的蒙版,将其进行三维化计算,得到了初步的股骨的点云数据,并以IGES格式保存。将点云模型导入逆向工程软件Geomagic studio中,由于在采集点云数据的过程中存在数据缺失、环境噪音等因素导致转换成的多边形模型有钉状物、孔洞等,因此需要在多边形阶段去除钉状物、填充孔洞等,从而得到一个理想的多边形数据模型,再进行曲面处理,曲面处理主要是精确曲面,首先将模型表面分成多个曲面片,再经格栅处理将每个曲面片处理成特定分辨率的网格,然后拟合成NURBS曲面,最后合并成精度较高的曲面模型。利用UG的缝合功能将在Geomagic Studio得到的曲面模型缝合成实体模型,导入UG中,经布尔求和运算最终得到结果,将骨骼CT数据重建成实体模型。

难点创新

难点在于教学活动中如何激发学生针对具体项目有思考地去学习,解决诸如在图像处理过程中骨骼内部的孔隙率较难控制等难点。创新在于有基础有研究,循序渐进地开展项目式教学,激励有能力同学进行进一步深入学习,比如将实体模型进行运动学、动力学、静力学以及瞬态动力学分析等。

成果成效

通过项目式教学引导学生开展创新设计实践,培养学生的创新意识,使学生具备一定的产品创新设计能力,从而提高学生的综合创新能力。其中基本训练通过熔融沉积快速成型(FDM)技术,打印出连接法兰模型,创新训练通过受损和完好的股骨的点云数据,利用逆向工程软件Geomagic studio进行数据处理,从而得到一个理想的多边形数据模型,再进行曲面处理,曲面处理主要是精确曲面,首先将模型表面分成多个曲面片,再经格栅处理将每个曲面片处理成特定分辨率的网格,然后拟合成NURBS曲面,最后合并成精度较高的曲面模型,最后利用UG的缝合功能将曲面模型缝合成实体模型,通过软件切片后实现打印。

通过项目的开展鼓励学生积极积极参与“全国三维数字化创新设计大赛”、“兰州理工大学CAD创新设计大赛兰州理工大学三维建模与3D打印大赛,其中我校第一届三维建模与3D打印大赛吸引了我校58个团队,共162名同学入围,最终20个团队获奖,其中一等奖2名,二等奖4名,三等奖6名,优秀奖8名。逆向课程项目式教学的实施、经典案例的制作等极大激发了学生学3D、用3D的热情,推动3D技术应用的同时提升了学生的自主创新能力,培养学生创新设计能力与团队协作精神。

北京市海淀区学清路8号科技财富中心
公众号
移动端