基于切片技術的三維實體模型制作的研究

龔玉玲+徐曉棟

摘 要：實體模型是《機械制圖》教學中必不可少的教具，但是，三維實體模型比較難制作，基本采用成品模型，學生只是觀摩和被動認知，學習效果比較差。因此，提出采用切片技術將復雜的三維數字模型轉變成二維平面模型的疊加，再將其組裝成三維實體模型。這種方式充分發揮了學生的主動學習能力和團隊協作能力，學習效果良好。

關鍵詞：數字模型；實體模型；切片技術；團隊協作能力

中圖分類號：TH126 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.127

文章編號：2095-6835（2016）20-0127-02

在《機械制圖》教學中，三維數字模型和三維實體模型是必不可少的教具。三維數字模型容易學，容易掌握，但是，真實感比較差。雖然三維實體模型比較難制作，但是，真實感比較強，學生比較容易理解，兩者相輔相成，取長補短，在《機械制圖》教學中發揮了重要的作用。

對于三維數字模型，學生可以使用常用的AutoCAD等軟件繪制完成；而對于三維實體模型，如果包含復雜的自由曲面、回轉面三維模型，制作難度大，需要使用專用設備，否則無法加工，需要外協委托加工，制作復雜且成本高。因此，在教學工程中，基本是購買成品教具。另外，在教學過程中，如果學生的學習興趣不濃厚，就很容易陷入被動的認知學習。這時，如果采用簡單的方式引導學生參與制作復雜的三維模型，將所學用于所做，在學中做，在做中學，那么，無疑可以提高學生的學習興趣，讓學生加深和鞏固對知識點的理解、掌握。本文提出了基于切片技術制作三維模型的想法，利用該技術，學生可以參與完成復雜的三維實體模型制作。

1 基于切片技術的制作原理

切片技術是借鑒快速成型原理，根據零件的幾何特征，由相關規則構造不同方位、不同厚度的切片層，將復雜的三維模型轉變成二維平面模型的疊加。而且它可以在不采用模具或復雜工具的條件下生成任何復雜形狀的三維實體零件，極大地提高了三維實體零件制作的靈活性。

為了進一步提高三維模型的可制作性，降低制作成本，在制作過程中，可采用易剪切的紙板材料，切片層的圖形不再用手工繪圖，而采用打印機打印。這樣，就可以降低制作難度和，提高制作效率。

2 基于切片技術的制作方法

基于切片技術的三維實體模型的制作流程是：①采用AutoCAD等軟件制作三維數字模型；②采用“Slice”指令，由切片技術沿著某一方向將數字模型分割成n層；③提取每層的切片邊界輪廓線；④將每層切片套料在A4打印紙上，然后用打印機打印出套料紙；⑤將套料紙張貼在硬紙板上，并切割下每層的形狀圖形；⑥將切割的紙板按照順序堆積，即完成三維實體模型的制作。

采用切片技術制作模型時，切片方向、切片的厚度等因素會影響制作模型的效率和精度。

2.1 切片方向的影響

切片方向可以是任意方向，切片方向不同，切片形狀不同，一般以容易剪切的方式為宜。以圓錐為例，分別沿著垂直和平行于中心軸線的方向切片。切片圖形如圖1所示。

由圖1可知，（a）切片形狀是圓，（b）切片形狀是拋物線形和中心的等腰三角形。通過比對，（a）方式的圓形規則，容易切割和制作。

2.2 切片厚度的影響

切割層厚不一樣，實體模型的制作效果也不一樣。由2.1確定切片方向，選擇圖1（a）的方式，采用容易剪切的紙板制作，紙板的厚度為1 mm和0.2 mm，制作 的圓錐，切片層分別是200層和1 000層，制作圖形如圖2所示。

由圖2可知，采用不同切片厚度制作模型時，當切片厚度厚時，顯然精度比較低，顯得粗糙，但是，制作效率高；當切片厚度薄時，模型精度高，但是，制作效率比較慢。當精度要求不高時，可以選擇比較厚的紙板制作。

3 三維實體模型產品展示

根據機械制圖中的剖切，相貫等比較難理解的知識點，制作圖形如圖3和圖4所示。

采用切片技術，學生制作模型時有以下優勢：①用簡單的工具制作復雜的三維實體模型，降低制作成本，提高制作效率；②學生親手制作模型，將對現成模型的被動學習轉化成主動認知學習，以激發學生的學習興趣；③根據切片技術，學生自行分析不同方向、不同層厚對模型的影響，以提高學生分析問題、解決問題的能力；④分層切片的形狀能有效促進學生對剖切、相貫、輔助平面等重點、難點知識的理解和掌握，引導學生重視投影分析的方式，并理解各種復雜物體的形狀；⑤采用切片技術分層切割后堆積，工作量大，學生分組然后團隊協作完成，能夠在一定程度上增強學生的團隊合作意識。

4 結論

本文基于切片技術制作三維實體模型，可以利用簡單的工具制作復雜的三維實體模型。采用紙板分層切割、剪裁，制作過程簡單，容易操作，學生可以在制作過程中充分理解各個切片的形狀。整個過程學生動手制作模型，將被動學習轉化成自己動手主動學習的過程，充分調動學生的學習興趣，加深對機械制圖重點、難點等知識點理解和掌握，以增強學生的團隊合作能力，取得了比較好的效果。

參考文獻

[1]崔小立.《機械制圖》課程教學方法的思考[J].科技與創新，2014（24）.

[2]郭秀艷.多媒體技術在《機械制圖》教學中的應用[J].科技與創新，2014（17）.

[3]楊東超，田凌，申永勝.基于快速成型原理的實物模型制作系統[J].工程圖學學報，2011（4）.

[4]楊振清，雍永磊.基于點云切片的邊界提取[J].計算機應用與軟件，2014，31（1）.

[5]金瑩，程聯社.機械制圖項目教程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.