苏士昌　邹伟

摘 要：针对教师上《发动机构造与检修》这门课程教学时，存在理论教学效果不佳，学生学习兴趣不浓的现象，设计了一款3D打印发动机教具来改善教学，该教具可完美展示发动机的内部构造及工作原理，具有体积小，质量轻，方便携带等诸多优点，解决了教师不能将沉重发动机带入课堂的难题，同时提高了学生的学习兴趣。实践效果证明，采用3D打印发动机教具教学可明显提高该门课程学生的理论和实践水平，具有很大的推广价值。

关键词：3D打印 发动机 教具

Design of a 3D printing engine teaching aid

Su Shi-chang Zou Wei

Abstract：In view of the phenomenon that the theoretical teaching effect is not good and the students' interest in learning is not strong， a 3D printing engine teaching aid is designed to improve the teaching. The teaching aid can perfectly display the internal structure and working principle of the engine. It has many advantages such as small size， light weight， convenient carrying， etc.， which solves the problem that teachers can't solve， that is， the heavy engine cannot be carried into the classroom problems， while improving students' interest in learning. The practice results show that the use of 3D printing engine teaching aids can significantly improve the theoretical and practical level of students in this course， and has great promotion value.

Key words：3D printing， engine， Teaching aids

目前，大多数职业院校存在师资不足，实训设备不足的现象，且职业院校的定位是培养高技能人才，而目前大多数教师在教学时存在照本宣科现象，全程在讲PPT，导致学生学习兴趣不浓，不想听课[1-2]。其实，职业院校的教师们一直在做同一件事，怎样提高学生的学习兴趣，有教师提出，把发动机搬上讲台，可是一个发动机重达上百斤，搬上讲台教学谈何容易，如果不把发动机搬上讲台，可学生听课一知半解，完全跟不上教师的节奏，学习效果差，对教师们的教学不满意[3-5]。3D打印技术已广泛应用于航天航空、医疗器械、汽车、教学教具等领域，由于其应用广泛，故被广大教学工作者所关注。众所周知，汽车发动机和底盘总成是由许多零部件组合而成，拆卸起来比较困难，不利于教学。因此，借助3D打印机打印汽车零部件模型运用到教学中，就会让学生在“教、学、做”三位一体中起到事半功倍的效果。为了改变这种现象，我们设计了一款3D打印发动机教具来改善教学。

1 发动机教具设计思路

汽车零部件三维模型可通过正向建模造型技术和逆向工程技术进行三维建模，正向造型可借助UG、PRO/E、SOLIDWORKS等软件进行三维造型设计，对于复杂曲面的零部件，正向造型过程中往往会比较困难，这时可通过逆向工程技术反向建模来设计零部件，需要运用的工具有三維激光扫描仪，运用的软件有Geomagic Studio。三维造型之后，借助3D打印机打印三维模型即可得到需要的汽车构造教具。教具设计主要是根据逆向工程三维扫描结合UG正向建模三维软件设计教具模型，通过3D打印机打印成形[6]。其主要制作流程如下：3D扫描仪对实训教具进行三维扫描→获取点云→曲面重建→生成STL格式的三维立体模型→3D打印机打印。

2 逆向工程技术简介及操作过程

逆向工程在汽车零部件设计有着广泛的应用，特别是针对复杂曲面的零部件设计，正向三维建模软件UG、Pro/E在设计时就存在较大困难，此时，采用逆向工程做反求可快速建模设计零部件，达到省时省力的作用。目前常用的扫描仪有两类，一类是手持式三维扫描仪，另一种是三角坐标式三维扫描仪，扫描可得到发动机零部件的点云，导入到Geomagic Studio中，对质量不好的点云进行删除，得到精确点云，对好的点云进行曲面重构得到三维模型，对三维模型进行精度误差分析，误差在合理范围内，导出模型，以STL格式保存，逆向工程反求设计的部分发动机三维模型如图2所示。

3 3D打印技术简介

3D打印技术是一种新兴制造技术，与传统减材技术制造不同的是3D打印技术通过逐层增加材料生成三维实体模型的技术，它是以数字三维模型为基础，依靠金属粉末或塑料等可粘合材料逐层叠加堆积成形，故又称增材制造。3D打印技术融合了机电控制、材料科学、机械制造等多学科知识于一体的新兴技术，代表了未来高端制造的发展方向。图3是3D打印技术工作原理图。

（1）3D打印流程简介

首先，要获得CAD三维模型，对于CAD三维模型的获取通常可采取正向建模或反求得到，常用的正向建模软件，如UG、Pro/e、Catia、Solidworks等三维建模软件。逆向工程是利用三维扫描设备扫描已有的实物，在实物的基础上求出其三维CAD模型，对汽车发动机和底盘构造总成设计，反求是一种行之有效的好办法，可解决正向设计中的一些难题，为3D打印汽车零部件模型提供帮助，图4为产品反向设计过程流程图。对获得的CAD模型进行输出，通常CAD软件中都带有输出STL格式的文件。

（2）CAD模型的切片处理

切片软件一般都选择Cura软件进行切片处理，模型的最小层厚由打印机和材料性能共同决定，较少的层厚能获得较高的打印产品精度，相反，增大打印层厚会降低模型精度，但会节省时间。

（3）3D打印机打印

在Cura软件中设置好参数以后，导出分层后的文件，存储3D打印机中进行打印成形，一个完整的发动机零部件就打印成形了。

（4）成形零件的后处理

3D打印机打印成形物品后，往往会有支撑，必须去除支撑物。如果对教具的表面质量要求较高，还必须对齐进行打磨、抛光、上色、喷漆等处理。图5、图6为3D打印成形后的发动机零部件图。

4 教学应用与教学评价

4.1 自制教具的制作过程应用

对于规则的零部件，采用常用三维建模软件UG、PRO/E、SOLIDWORKS等三维建模软件建模即可，对于不规则的复杂曲面的零部件，采用逆向建模思路进行建模。首先，用三维扫描仪扫描要建模的三维零部件，获取点云数据，在Geomagic Studio软件中对点云数据进行处理，曲面重构得到三维模型，对三维模型进行精度分析，达标的零部件以STL格式的形式输出，最后3D打印机打印。注意，学生在三维建模过程中一定要将自己设计的三维模型发送给老师，老师对同学们进行点评。

4.2 教学实践效果

为了检测教具使用对课堂教学效果的评价，特采取了问卷调查的形式发放问卷于汽修专业班级80位同学，问卷内容主要是发动机构造知识点，80位同学来自同年级两个班级，一个是使用教具教学的班级，另一个班级为对照组。从收上来的问卷试卷得分程度来看，采用教具教学的班级分数要远远高于未采用教具教学的班级，主要原因是传统式教学是“填鸭式”纯理论教学，采用教具教学打破了这种局面，使学生从被动学习变为主动学习，激发学生的学习兴趣，真正做到让学生们喜欢这门课程。

为了提高学生的学习兴趣，充分发挥同学们的主观能动性和想象力，提高同学们的实践动手水平，学校可定期举办3D打印大赛，同学们可利用课余时间来设计本专业的教具，并随时咨询请教专业老师进行问题咨询及技术指导。

此外，方便携带的3D打印教具对实训教学产生较大的促进作用，3D打印教具可完美应用在汽车、机械类专业，就拿汽车和机械专业来说，一台发动机和一台车床的价格就不菲，但性价比不高，除了拆装实训教学用，平时都是闲置的，即费钱又浪费实训场地。3D打印设备可将复杂的机械设备零散化，省钱又便于教学，且教学效果比传统教学效果好。

5 結束语

3D打印教具的推广弥补了传统教学的不足，加强了对学生们创新能力和团结协作能力的培养，在课堂上让学生们接触3D打印模型可让学生们更加容易理解和掌握，知识点也会显得生动有趣，改变了传统工科教学呆板的局面，使教学过程显得生动有趣，同时也会让同学们发挥无限想象来构思机构运动轨迹，理论穿插实践，学生学习动力十足。美中不足的是，目前3D打印机技术还不是很成熟，许多方面还需进一步提高，未来将有无限的可能推广在教育教学应用上。

参考文献：

[1]刘文，季洁，汪瑞，等.以3D打印技术促自制教具发展[J].实验教学与仪器，2017，34（6）：53-54.

[2]匡鑫.3D打印技术在教具制作与教学中的应用[J].南方农机，2015，46（12）：64.

[3]王华.基于3D打印的四种自动变速器教具的应用[J].北京印刷学院学报，2017，25（4）：38-41.

[4]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].吉林大学，2014.

[5]邹锦波，王华.基于UG和3D打印的双离合自动变速器齿轮组教具的设计[J].北京印刷学院学报，2019，27（5）：99-101.

[6]王华.3D打印教具在《汽车构造》课程中的研发与应用[J].太原城市职业技术学院学报，2017，（9）：142-143.