3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)電動汽車制造相結(jié)合的實踐教學(xué)研究

繆玉桂 苗 磊

（淮南師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，淮南 232038）

1 研究背景

目前，多數(shù)高校機械專業(yè)或機械類相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了與3D打印和傳統(tǒng)制造技術(shù)相關(guān)的課程，但比較分散化。如何才能將多方面關(guān)聯(lián)起來，鍛煉學(xué)生的動手能力和設(shè)計能力。本文依托校級科研項目，選取設(shè)計一輛純電動跑車為載體實現(xiàn)這一設(shè)想。很多喜歡汽車的朋友，都想擁有一輛像法拉利或蘭博基尼這樣的跑車，可對于普通大眾來說，很難實現(xiàn)這個愿望。本文嘗試將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)電動汽車加工制造方式相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生一起設(shè)計制造一輛汽車實物。

2 實踐教學(xué)研究過程

將3D打印和傳統(tǒng)電動汽車制造相結(jié)合開展實踐教學(xué)，其主要內(nèi)容是用先進的制造技術(shù)——3D打印，制造部分零件，而跑車的主體部分則是采用機加工和電焊技術(shù)設(shè)計。在設(shè)計、制造過程中可以讓學(xué)生參與進來，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。結(jié)合實踐教學(xué)在應(yīng)用型本科院校中的重要性，團隊通過三維繪圖軟件Solidworks設(shè)計一輛法拉利Aliante跑車。經(jīng)過評審、反復(fù)修改，形成純電動跑車的三維模型。再利用3D打印機、機床、電焊和鉗工等技術(shù)加工出仿制的法拉利跑車，最后調(diào)試和試駕。

此過程不僅有利于學(xué)生掌握3D打印技術(shù)原理、鍛煉學(xué)生三維建模能力、掌握機械原理和機械設(shè)計的一些基礎(chǔ)知識，還能使學(xué)生了解我國新能源汽車發(fā)展?fàn)顩r，進而向?qū)W生講解新能源汽車對我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要性。

2.1 教學(xué)改革內(nèi)容

結(jié)合3D打印和傳統(tǒng)制造電動汽車在實踐教學(xué)中的應(yīng)用與研究，該過程不是一個人的設(shè)計行為，而是一個團隊將先進3D打印技術(shù)引入到實踐教學(xué)的行為。

主要研究內(nèi)容可以分為三大模塊：機加工、電焊技術(shù)和3D打印制造技術(shù)，如圖1所示。

機械加工主要有手動加工和數(shù)控加工兩大類。手動加工是指通過機械工人手工操作銑床、車床、鉆床和鋸床等機械設(shè)備來實現(xiàn)對各種材料進行加工的方法。手動加工適合進行小批量、簡單的零件生產(chǎn)。數(shù)控加工（CNC）是指機械工人運用數(shù)控設(shè)備來進行加工，這些數(shù)控設(shè)備包括加工中心、車銑中心、電火花線切割設(shè)備、螺紋切削機等。絕大多數(shù)的機加工車間都采用數(shù)控加工技術(shù)。通過編程，把工件在笛卡爾坐標系中的位置坐標（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換成程序語言，數(shù)控機床的CNC控制器通過識別和解釋程序語言來控制數(shù)控機床的軸，自動按要求去除材料，從而得到精加工工件。數(shù)控加工以連續(xù)的方式來加工工件，適合于大批量、形狀復(fù)雜的零件[1]。

圖1 實踐教學(xué)框架圖

跑車的主體部分仍然要用電焊技術(shù)焊接而成，掌控好這一環(huán)節(jié)，設(shè)計電動汽車的過程才能順利進行。電弧焊技術(shù)主要包括：手弧焊技術(shù)、埋弧焊技術(shù)、鎢極氣體保護電弧焊技術(shù)、等離子弧焊技術(shù)、熔化極氣體保護電弧焊技術(shù)、管狀焊絲電弧焊技術(shù)。電阻焊主要是以電阻熱為能源的一類焊接方法，包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊[2]。

3D打印制造技術(shù)。執(zhí)行該環(huán)節(jié)必須首先對純電動汽車進行三維建模，結(jié)合本文就是將事先設(shè)計好的汽車三維模型逐一打印出來，然后安裝調(diào)試，如有不合適的地方還要重新設(shè)計并打印[3-4]。

2.2 實踐教學(xué)改革應(yīng)達到的效果

在應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型背景下，加大實踐教學(xué)所占比例，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，會動腦筋、會實踐、懂設(shè)計、懂操作、有系統(tǒng)概念和較全面現(xiàn)代技術(shù)知識基礎(chǔ)的綜合型、創(chuàng)新型、高素質(zhì)工程技術(shù)人才，成為該項目要解決的關(guān)鍵問題。

如何解決《機械制圖》課程學(xué)習(xí)過程中理論與設(shè)計脫離的問題。利用三維繪圖軟件Solidworks去設(shè)計零部件，學(xué)生既學(xué)會了三維軟件的使用，又鞏固了機械制圖方面的基礎(chǔ)知識，具備一定的機械制圖基礎(chǔ)知識和三維繪圖能力，才能順利執(zhí)行。

目前，對于學(xué)生而言，3D打印技術(shù)只是停留在概念或新聞中，如何讓它更接地氣，讓學(xué)生也接觸、了解它的工作原理。還有就是純電動汽車方面的知識，以及它對我國發(fā)展綠色、環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要性有所認識[5-6]。

2.3 實踐教學(xué)改革解決的問題

明確實踐教學(xué)在應(yīng)用型本科院校中具有不可替代的地位，結(jié)合本文如何將3D打印純電動汽車應(yīng)用到實踐教學(xué)中去、如何操作和如何考核，均是本項目要解決的問題。

結(jié)合工程制圖這門基礎(chǔ)課程，介紹三維軟件，以市場上常用的三維繪圖軟件Solidworks為例，鍛煉學(xué)生三維繪圖能力和空間想象力。

在充分準備好前兩個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，以一個系統(tǒng)的工程給學(xué)生介紹純電動汽車的原理、組成部分，制動性能等。然后根據(jù)學(xué)生人數(shù)的多少布置任務(wù)，幾個人組成一個小組負責(zé)設(shè)計汽車的某一部件。最后一起整合，項目評審，打印出需要打印的部件。

進入調(diào)試階段，對于外購件該買的買，然后一起組裝、調(diào)試，直到可以行使、載人為止。最后總結(jié)該項目，給大家進一步介紹一些新能源汽車對我們國民經(jīng)濟的重要性。

3 結(jié)語

本文教學(xué)改革總體可以概括為“三位一體”，即“機加工”“先進的制造技術(shù)——3D打印”“電焊技術(shù)”，將這三個方面融為一體，進而向?qū)W生滲透環(huán)境保護概念。雖然目前已經(jīng)通過3D打印機制造出了汽車，但他們離我們還很遙遠，都只是停留在概念中或新聞中。把先進制造技術(shù)應(yīng)用于高校教學(xué)，嘗試自己設(shè)計一款純電動汽車，并用3D打印機打印出來，對于我們實踐教學(xué)以及團隊的設(shè)計水平無疑是很大的提升。

由于缺少相關(guān)手續(xù)等因素的影響，我們最后設(shè)計制造出來的汽車只能停留在校園內(nèi)的試駕狀態(tài)，或者概念車階段。但通過3D技術(shù)打印汽車的過程確實鍛煉了學(xué)生的動手能力，讓他們了解了當(dāng)前新的制造技術(shù)，掌握了3D打印技術(shù)的原理，加深了對我國發(fā)展新能源汽車重要性的認識。

[1]黃曙.機械加工技術(shù)基礎(chǔ)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2006：56-57.

[2]劉曉蘭.綜述電弧焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012，（13）：86.

[3]李小麗，馬劍雄，李萍.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

[4]大堇，孟潔，卜洪權(quán).3D打印汽車是工業(yè)革命還是和平演變[J].汽車實用技術(shù)，2014，（1）：108-117.

[5]王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2013，（1）：90-93.

[6]劉海濤.光固化三維打印成形材料的研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009∶98-99.