3D打印技术与传统电动汽车制造相结合的实践教学研究

缪玉桂 苗 磊

（淮南师范学院 机械与电气工程学院，淮南 232038）

1 研究背景

目前，多数高校机械专业或机械类相关专业都开设了与3D打印和传统制造技术相关的课程，但比较分散化。如何才能将多方面关联起来，锻炼学生的动手能力和设计能力。本文依托校级科研项目，选取设计一辆纯电动跑车为载体实现这一设想。很多喜欢汽车的朋友，都想拥有一辆像法拉利或兰博基尼这样的跑车，可对于普通大众来说，很难实现这个愿望。本文尝试将3D打印技术和传统电动汽车加工制造方式相结合，引导学生一起设计制造一辆汽车实物。

2 实践教学研究过程

将3D打印和传统电动汽车制造相结合开展实践教学，其主要内容是用先进的制造技术——3D打印，制造部分零件，而跑车的主体部分则是采用机加工和电焊技术设计。在设计、制造过程中可以让学生参与进来，培养学生的动手能力。结合实践教学在应用型本科院校中的重要性，团队通过三维绘图软件Solidworks设计一辆法拉利Aliante跑车。经过评审、反复修改，形成纯电动跑车的三维模型。再利用3D打印机、机床、电焊和钳工等技术加工出仿制的法拉利跑车，最后调试和试驾。

此过程不仅有利于学生掌握3D打印技术原理、锻炼学生三维建模能力、掌握机械原理和机械设计的一些基础知识，还能使学生了解我国新能源汽车发展状况，进而向学生讲解新能源汽车对我国国民经济发展的重要性。

2.1 教学改革内容

结合3D打印和传统制造电动汽车在实践教学中的应用与研究，该过程不是一个人的设计行为，而是一个团队将先进3D打印技术引入到实践教学的行为。

主要研究内容可以分为三大模块：机加工、电焊技术和3D打印制造技术，如图1所示。

机械加工主要有手动加工和数控加工两大类。手动加工是指通过机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加工的方法。手动加工适合进行小批量、简单的零件生产。数控加工（CNC）是指机械工人运用数控设备来进行加工，这些数控设备包括加工中心、车铣中心、电火花线切割设备、螺纹切削机等。绝大多数的机加工车间都采用数控加工技术。通过编程，把工件在笛卡尔坐标系中的位置坐标（X，Y，Z）转换成程序语言，数控机床的CNC控制器通过识别和解释程序语言来控制数控机床的轴，自动按要求去除材料，从而得到精加工工件。数控加工以连续的方式来加工工件，适合于大批量、形状复杂的零件[1]。

图1 实践教学框架图

跑车的主体部分仍然要用电焊技术焊接而成，掌控好这一环节，设计电动汽车的过程才能顺利进行。电弧焊技术主要包括：手弧焊技术、埋弧焊技术、钨极气体保护电弧焊技术、等离子弧焊技术、熔化极气体保护电弧焊技术、管状焊丝电弧焊技术。电阻焊主要是以电阻热为能源的一类焊接方法，包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊[2]。

3D打印制造技术。执行该环节必须首先对纯电动汽车进行三维建模，结合本文就是将事先设计好的汽车三维模型逐一打印出来，然后安装调试，如有不合适的地方还要重新设计并打印[3-4]。

2.2 实践教学改革应达到的效果

在应用型本科院校转型背景下，加大实践教学所占比例，培养出具有创新意识和创新能力，会动脑筋、会实践、懂设计、懂操作、有系统概念和较全面现代技术知识基础的综合型、创新型、高素质工程技术人才，成为该项目要解决的关键问题。

如何解决《机械制图》课程学习过程中理论与设计脱离的问题。利用三维绘图软件Solidworks去设计零部件，学生既学会了三维软件的使用，又巩固了机械制图方面的基础知识，具备一定的机械制图基础知识和三维绘图能力，才能顺利执行。

目前，对于学生而言，3D打印技术只是停留在概念或新闻中，如何让它更接地气，让学生也接触、了解它的工作原理。还有就是纯电动汽车方面的知识，以及它对我国发展绿色、环保产业的重要性有所认识[5-6]。

2.3 实践教学改革解决的问题

明确实践教学在应用型本科院校中具有不可替代的地位，结合本文如何将3D打印纯电动汽车应用到实践教学中去、如何操作和如何考核，均是本项目要解决的问题。

结合工程制图这门基础课程，介绍三维软件，以市场上常用的三维绘图软件Solidworks为例，锻炼学生三维绘图能力和空间想象力。

在充分准备好前两个环节的基础上，以一个系统的工程给学生介绍纯电动汽车的原理、组成部分，制动性能等。然后根据学生人数的多少布置任务，几个人组成一个小组负责设计汽车的某一部件。最后一起整合，项目评审，打印出需要打印的部件。

进入调试阶段，对于外购件该买的买，然后一起组装、调试，直到可以行使、载人为止。最后总结该项目，给大家进一步介绍一些新能源汽车对我们国民经济的重要性。

3 结语

本文教学改革总体可以概括为“三位一体”，即“机加工”“先进的制造技术——3D打印”“电焊技术”，将这三个方面融为一体，进而向学生渗透环境保护概念。虽然目前已经通过3D打印机制造出了汽车，但他们离我们还很遥远，都只是停留在概念中或新闻中。把先进制造技术应用于高校教学，尝试自己设计一款纯电动汽车，并用3D打印机打印出来，对于我们实践教学以及团队的设计水平无疑是很大的提升。

由于缺少相关手续等因素的影响，我们最后设计制造出来的汽车只能停留在校园内的试驾状态，或者概念车阶段。但通过3D技术打印汽车的过程确实锻炼了学生的动手能力，让他们了解了当前新的制造技术，掌握了3D打印技术的原理，加深了对我国发展新能源汽车重要性的认识。

[1]黄曙.机械加工技术基础[M].长沙：中南大学出版社，2006：56-57.

[2]刘晓兰.综述电弧焊技术的发展现状[J].科技创业家，2012，（13）：86.

[3]李小丽，马剑雄，李萍.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（1）：1-5.

[4]大堇，孟洁，卜洪权.3D打印汽车是工业革命还是和平演变[J].汽车实用技术，2014，（1）：108-117.

[5]王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013，（1）：90-93.

[6]刘海涛.光固化三维打印成形材料的研究与应用[D].武汉：华中科技大学，2009∶98-99.