3D打印技术及汽车专业人才培养方案

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摘要:3d打印技术在汽车行业应用广泛，需要培养大量技术应用型人才。基于将3D打印技术融入汽车应用型本科专业教学，本文分析3D打印技术对汽车专业建设的推动作用，并对人才需求、课程体系建设、实训条件建设等重点问题进行分析，提出实施建议或解决思路。3D打印技术推动新工科背景下汽车类专业的教学改革，促进技术应用型人才培养。

关键词:技术应用型;3D打印技术;逆向工程;实训条件

3D打印过程是通过三维建模运用可黏合材料用3D打印机“打印”出三维实物的过程，所包含的科学理论和研究方法称为3D打印技术。其显著特点是打印过程中材料的逐层增加，所以又被称为增材制造。3D打印技术在我国的发展速度很快，是“先进制造”“智能制造”“绿色设计与制造”的典型代表，也是“中国制造2025”等概念的重要组成部分。车辆工程专业是传统工科专业，随着教育部推进新工科建设，车辆工程专业被纳入新工科专业之一，面临新的发展机遇与挑战。而3D打印技术在汽车零部件的原型制造、汽车模具制造、汽车零部件直接制造、汽车零部件维护和修复等方面具有技术优势，在汽车产品的研发设计阶段作用明显。我校作为获批的国家首批应用型本科高校，应当顺应新工科建设，在培养应用型人才、促进区域经济发展等方面发挥重要作用。将3D打印技术作为教学研究对象，融入应用型本科汽车专业人才培养，推动专业建设与课程建设教学改革，促进实现3D打印技术与汽车专业人才培养内涵式发展。

一、3D打印技术助推应用型本科汽车专业人才培养

(一)3D打印技术应用汽车工业发展符合工业升级的需要

李克强总理曾指出，3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术，实现了制造从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式，具有重大价值。目前3D打印技术被许多汽车整车企业、零部件生产企业和相关科研院所应用到实际工作中，在产品创新研发、工艺装备持续改进等方面取得了相当不错的效果。比如，应用3D打印技术制造发动机支架、超音速汽车钛方向盘、钛合金制动钳等。同时3D打印技术在汽车维修领域也有广阔的应用市场。3D打印技术引发汽车领域“绿色设计”“绿色制造”“绿色维修”的观念转变，是“新四化”背景下汽车工业绿色科学发展的有力推动者。

(二)3D打印技术促进汽车专业应用型人才的培养

汽车专业培养掌握专业所必需的工程基础知识和专业技能，能够在汽车及零部件生产企业、科研院所及相关领域从事整车、相关零部件产品制造、实验、检测、管理、营销、科研及教学工作的应用型高素质人才。3D打印技术的融入带来教学模式、教学内容、教学组织等方面的变化，能够增强学生的工程实践能力和工程科技创新、创造能力。特别是在汽车行业“新四化”发展趋势下，学科间交叉融合，成为符合新工科要求的适应生产、建设、管理、服务第一线需要的高等技术应用型人才。增材制造(3D打印)设备操作员已被人社部增设为新职业，市场上需要大量既懂汽车又懂3D打印技术的专业人才。

(三)3D打印技术促进汽车专业教学模式的转变

采用激光烧结、光敏树脂固化、热融挤出等不同3D打印技术，结合不同打印材料，可以打印出车身、车内饰、电池等汽车零部件。3D打印技术在原型开发与设计验证、结构零件轻量化、汽车模具、夹具等方面应用日益广泛。这种有别于传统的设计与制造过程转变必将引起汽车专业传统教学模式的转变。原来分块而治的各个课程势必需要重新整合，形成整体合力式的项目式教学，构建“原理结构—实体建模—仿真分析—增材制造—技能拓展—自主设计”教学模式，教学内容之间衔接更加自然，教学组织更加流畅，全面培养学生综合所学来解决工程问题的能力。

二、3D打印技术融入应用型本科汽车专业人才培养的建议

人才培养涉及专业建设、课程、师资、实验实训条件等多方面因素，本文仅从以下几个重点阐述。

(一)人才需求分析

3D打印技术产业人才分析可以大致分为两种，一是与3D打印技术相关的开发与研究的技术人员，负责对打印设备的开发、打印材料的研究、打印工艺上的提升等。二是3D打印技术的应用型人员，又可以分为偏向技术应用和商业应用两种。偏向技术应用是将3D打印技术与某一专业领域相结合进行再开发和研究的技术型应用。偏向商业应用则是更偏重于利用3D打印技术进行商业化运作。3D打印技术与汽车工业的结合属于典型的技术应用，与此相对应的人才就是偏向技术应用型人才。应具有比较扎实的汽车专业基础理论知识，同时又能掌握3D打印技术，并能将二者充分融合。3D打印技术已应用到从汽车产品的研发设计到售后维修、个性化改装等方面。但梳理相关具体岗位工作职责，可以发现3D打印技术的核心应用是汽车产品研发工作和汽车产品制造工作。汽车产品研发工作的主要内容是新产品原型开发与设计验证，主要特点是样品数量小，但研发周期短，节省成本，这种特点与3D打印技术的特点非常吻合。同时3D打印实际上属于增材制造，能够制作一些传统制造加工技术无法制作的外形和内部结构较复杂细微的产品，这种特点非常适合突破研发初期新产品造型的局限。所以3D打印技术在汽车产品研发阶段具有很大的优势，应该在人才培养中重点考虑。在汽车产品制造工作中，目前可以通过3D打印制作模具、夹具，但要想完全应用于生产线实现产品的大批量生产还有很大难度。应用型人才就是把成熟的技术和理论应用到实际的生产、生活中的技能型人才。车辆工程专业作为工科专业之一，还应具有工程性，所以车辆工程专业应定位于“工程应用技术型人才”的培养。结合车辆工程专业的新工科建设，在人才培养中应注重工程实践能力、学科交叉能力、创新能力、自主学习能力和人文素养、社会责任等素质的培养。在融入3D打印技术后，汽车专业人才培养应增加以下能力目标:根据任务选择恰当3D打印技术和3D打印设备能力;使用三维建模软件建立三维模型能力;使用3D打印软件制作实物模型能力;3D打印设备的安装、调试、维护保养和维修能力。综上所述，3D打印技术与新工科要求、汽车产业发展、汽车新技术、应用本科院校定位高度契合，所以应该对现有车辆工程人才培养方案进行必要的修改，使人才培养方案能够更全面地符合上述要求，培养企业需要的具有创新精神、实践能力与可持续竞争力的专业工程技术人才。在无法突破现有车辆工程专业作为二级学科的困境下，提出构建、明确新能源汽车设计专业方向的想法。

(二)课程体系建设

融入3D打印技术后的课程体系建设不是简单加上几门与3D打印技术相关的课程，而是应该充分考虑3D打印技术与汽车专业的结合，在分析岗位所需能力的基础上，以新工科建设为引导，围绕汽车产品研发设计制造，全面考虑教学模式、教学内容、教学方法与手段、教学组织与考核评价等多方面问题。一是建设含有3D打印技术基本知识与技能的基础课程。了解增材制造历史、概念、用途、前景，理解增材制造主要用到的几种工艺方法，掌握桌面型3D打印机的结构，熟练掌握桌面型3D打印机的操作方法。能够按照从简单到复杂的顺序，打印平面几何拼图图形、立体几何拼图图形、卡通摆件图形、机械结构零件等实物，掌握打印参数设置、打印支撑的设定、后处理等打印难点。二是建设具有综合性的特色课程。汽车产品研发设计阶段的主要工作是原型开发和设计验证，所以应该设置一门综合性的课程，使学生能够综合以前所学设计开发汽车产品，要具有一定的设计性、开放性，能够锻炼培养学生的创新思维。“汽车设计创新实践”是我校为18级车辆工程专业开设的一门集中实践课程，目的是综合相关课程所学知识，围绕汽车设计开展创新工程实践，培养学生的实践能力和创新能力。采用项目式教学，教学内容选取真实的汽车零部件产品(如保险杠、后视镜、轮辋等)，在每个项目的授课中按照“原理结构—实体建模—仿真分析—增材制造—技能拓展—自主设计”的顺序进行教学。以轮辋的结构设计为例:(1)原理结构:请同学们根据以前所学讨论讲解其工作原理、结构、分类、功用、设计要点等内容。(2)实体建模:使用CATIA软件三维建模，参数来源于现有工程图或测绘，对于一些零部件还可以使用三维扫描仪等设备。(3)仿真分析:使用ANSYS软件进行仿真分析。(4)增材制造:使用3D打印机打印出实物。(5)技能拓展:在实体建模、仿真分析、增材制造这三个环节中，学生除了使用与项目有关的知识点和技能点外，可能还会涉及其他的知识点和技能点，学会举一反三，比如会使用CATIA软件中的曲面建模功能给后视镜建模，那自己能不能试试鼠标建模或其他车型后视镜建模呢?这个教学环节我们称之为技能拓展。(6)自主设计:教师给出一些设计条件，如工作场所、工作载荷等限定条件，要求学生能够开展自主设计。最终提交设计说明书、工程图或三维实体模型、仿真动画等形式。比如，老师给出“重型卡车外后视镜的结构设计”题目，要求学生完成自主设计。项目涉及工程制图、公差测量、零件测绘、机械设计基础、机械制造基础、逆向工程、三维实体建模、有限元分析、3D打印、优化设计等多方面知识与技能，体现出非常高的综合性和应用性，对培养学生解决复杂工程问题的能力非常有帮助。三是建设含有逆向工程基本知识与技能的拓展课程。逆向工程产品设计就是根据实物模型实施反向，从而得到新产品设计数据的过程，主要用于新产品研发、产品改进设计等方面。在汽车零部件设计中常用于优化设计，尤其是对汽车零部件的功能、结构等进行优化创新。通过逆向工程可以把现有汽车零部件转化成三维模型得到相关准确参数并进行优化，再使用3D打印设备打印出来进行设计验证。例如，在汽车覆盖件的设计中，由于其造型往往53是复杂的自由曲面，如果采用传统的三维建模软件去建模的话，这个过程是非常麻烦的，设计效率不高。而如果采用逆向技术则可以大大缩短设计周期。所以说逆向工程与3D打印技术在汽车产品研发设计中两者相辅相成，相得益彰，是汽车专业应用型人才必须掌握的两项技能。通过学习，学生要了解逆向工程技术的基本概念、发展以及应用，掌握逆向工程软件的使用方法并应用。

(三)实训条件建设

逆向工程和3D打印技术具有很强的实践性和应用性，实训设备是实施教学的根本保证。加强实训条件建设，既能为培养汽车专业技术应用型人才服务，同时有利于打造一支技术过硬的教师队伍。实训条件建设应定位于既能满足于专业教学、科研、培训需要，还要贴近产业发展需求、企业生产需求，能够开展对外培训。概括为教学实训/培训功能、竞赛功能、产学结合功能、研发功能和公共服务功能。满足3D打印技术和逆向工程基础教学需要，配置设备建议:悬臂式3D打印机、机械臂式3D打印机、双色3D打印机、三角洲3D打印机、DIY式3D打印机(FDM)、光固化3D打印机、3D扫描仪(桌面教学)、后处理工具及耗材等。满足工业应用及科研服务需要，配置设备建议:手持式三维扫描仪、FDM工业级3D打印机、光固化工业级3D打印机、单目三维扫描仪、全自动非接触三维影像扫描仪、后处理工具及耗材等。设备摆放按照功能划分和项目式教学需要要求，设备台套数量按照班级学生数量自定。在实训条件建设中，由于3D打印设备和逆向工程设备普遍较为昂贵，而学校投入经费有限，面临先期投入不够，后期运行过程中升级、维管护不到位的现象，造成设备台套数量少、技术落后、功能缺失等问题，影响实训教学实施。在我校首轮3D打印教学实施中具体存在以下问题:一是由于3D打印机数量少，多组同学需要轮换使用打印机，一组学生在使用时其他组的学生只能先观摩或做其他事情，造成“窝工”。二是打印速度不高，而且打印时间还和零件复杂程度有关，但是学生实训课的上课时间是有限的，许多同学到下课时还没有完成打印，涉及学生还需上其他课程、老师还有其他班的课、老师放学后下班、实训室留人管理、安全等多种具体问题，对教学组织与管理影响很大。三是实训学生数量多，3D打印机需长时间工作，可以说是“歇人不歇马”，对其耐用性、稳定性、可靠性要求极高，一旦出现故障如何维修，平时如何养护，给实训室管理带来新问题。四是汽车零部件往往具有外形和内部结构中曲面多、结构复杂等特点，对打印精度等性能参数要求较高，由于资金投入少的原因，购置的3D打印机往往达不到要求。面对实训条件不充分的难题，建议从两方面加以解决。一是加强校企合作，校企共建教学平台，由学校方、汽车行业企业、3D打印和逆向工程设备销售企业三方组成，三方各有所长但又各有所难，只有依托教学平台才能各取所需。学校方的困惑是设备投入经费不足，无法及时购置最新技术的实训设备。同时也不能及时捕捉汽车行业中的一线实际问题，学生所学与生产真实情况脱节。但如果能够解决这两个问题，学校方的优势在于可以提供源源不断的汽车专业技术应用型人才。汽车行业企业最大优势是身处生产一线，最了解汽车行业新技术发展趋势，对人才培养需求目标明确。劣势和学校方类似，不可能总是不断投入经费去更新设备或招聘掌握新技术的新员工。而3D打印和逆向工程设备销售企业主营是销售设备，但一般也承接一些设计项目。其优势在于总是能够把握3D打印和逆向工程设备的最新技术发展，拥有比较前沿的设备。劣势是销售不易，面对学校的设备采购往往是周期长、回款慢等问题。三方如果组成教学平台，销售方可以先租后卖，学校和汽车企业的良性发展又会促进3D打印和逆向工程设备的旺盛需求，达到共赢结果。二是自行开发教学仪器设备。自制设备是指教师根据教学或实验实训室建设等工作的需要，自行改造、设计、加工或协作加工制造的可用于实验实训、理论教学的演示仪器设备或教具。有些3D打印机用于学生了解打印机原理、结构、熟悉打印操作，其结构简单、模块化程度较高，对打印结果精度要求不高，这类3D打印机完全可以通过自制设备途径予以解决。既节约设备投入经费，又能满足教学实际需要，同时提高了参与教师和学生的专业知识和工程实际水平。

结语

3D打印技术符合汽车工业发展，符合工业升级的需要，能够促进汽车专业技术应用型人才的培养。在专业建设中要认真分析人才需求和岗位职业能力的新变化，在课程建设中形成3D打印技术方向的特色课程，在教学模式、教学内容、考核评价等方面进行教学改革。同时抓好实训条件建设，通过建立三方教学平台和自制教学设备两方面解决实训条件中硬件不足的问题。

参考文献:

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［2］王刚，王微，邢昌，朱协彬．应用型本科院校3D打印技术人才培养模式探讨［J］．长沙大学学报，2017，31(02):131-133．

［3］张捷，顾海，孙健华，李彬．应用型本科人才培养新方向:3D打印技术［J］．课程教育研究，2016(10):235．

作者：李欣 单位：天津中德应用技术大学