3D打印技術及汽車專業(yè)人才培養(yǎng)方案

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摘要:3d打印技術在汽車行業(yè)應用廣泛，需要培養(yǎng)大量技術應用型人才。基于將3D打印技術融入汽車應用型本科專業(yè)教學，本文分析3D打印技術對汽車專業(yè)建設的推動作用，并對人才需求、課程體系建設、實訓條件建設等重點問題進行分析，提出實施建議或解決思路。3D打印技術推動新工科背景下汽車類專業(yè)的教學改革，促進技術應用型人才培養(yǎng)。

關鍵詞:技術應用型;3D打印技術;逆向工程;實訓條件

3D打印過程是通過三維建模運用可黏合材料用3D打印機“打印”出三維實物的過程，所包含的科學理論和研究方法稱為3D打印技術。其顯著特點是打印過程中材料的逐層增加，所以又被稱為增材制造。3D打印技術在我國的發(fā)展速度很快，是“先進制造”“智能制造”“綠色設計與制造”的典型代表，也是“中國制造2025”等概念的重要組成部分。車輛工程專業(yè)是傳統(tǒng)工科專業(yè)，隨著教育部推進新工科建設，車輛工程專業(yè)被納入新工科專業(yè)之一，面臨新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。而3D打印技術在汽車零部件的原型制造、汽車模具制造、汽車零部件直接制造、汽車零部件維護和修復等方面具有技術優(yōu)勢，在汽車產(chǎn)品的研發(fā)設計階段作用明顯。我校作為獲批的國家首批應用型本科高校，應當順應新工科建設，在培養(yǎng)應用型人才、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。將3D打印技術作為教學研究對象，融入應用型本科汽車專業(yè)人才培養(yǎng)，推動專業(yè)建設與課程建設教學改革，促進實現(xiàn)3D打印技術與汽車專業(yè)人才培養(yǎng)內(nèi)涵式發(fā)展。

一、3D打印技術助推應用型本科汽車專業(yè)人才培養(yǎng)

(一)3D打印技術應用汽車工業(yè)發(fā)展符合工業(yè)升級的需要

李克強總理曾指出，3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術，實現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，具有重大價值。目前3D打印技術被許多汽車整車企業(yè)、零部件生產(chǎn)企業(yè)和相關科研院所應用到實際工作中，在產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)、工藝裝備持續(xù)改進等方面取得了相當不錯的效果。比如，應用3D打印技術制造發(fā)動機支架、超音速汽車鈦方向盤、鈦合金制動鉗等。同時3D打印技術在汽車維修領域也有廣闊的應用市場。3D打印技術引發(fā)汽車領域“綠色設計”“綠色制造”“綠色維修”的觀念轉(zhuǎn)變，是“新四化”背景下汽車工業(yè)綠色科學發(fā)展的有力推動者。

(二)3D打印技術促進汽車專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)

汽車專業(yè)培養(yǎng)掌握專業(yè)所必需的工程基礎知識和專業(yè)技能，能夠在汽車及零部件生產(chǎn)企業(yè)、科研院所及相關領域從事整車、相關零部件產(chǎn)品制造、實驗、檢測、管理、營銷、科研及教學工作的應用型高素質(zhì)人才。3D打印技術的融入帶來教學模式、教學內(nèi)容、教學組織等方面的變化，能夠增強學生的工程實踐能力和工程科技創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。特別是在汽車行業(yè)“新四化”發(fā)展趨勢下，學科間交叉融合，成為符合新工科要求的適應生產(chǎn)、建設、管理、服務第一線需要的高等技術應用型人才。增材制造(3D打印)設備操作員已被人社部增設為新職業(yè)，市場上需要大量既懂汽車又懂3D打印技術的專業(yè)人才。

(三)3D打印技術促進汽車專業(yè)教學模式的轉(zhuǎn)變

采用激光燒結(jié)、光敏樹脂固化、熱融擠出等不同3D打印技術，結(jié)合不同打印材料，可以打印出車身、車內(nèi)飾、電池等汽車零部件。3D打印技術在原型開發(fā)與設計驗證、結(jié)構(gòu)零件輕量化、汽車模具、夾具等方面應用日益廣泛。這種有別于傳統(tǒng)的設計與制造過程轉(zhuǎn)變必將引起汽車專業(yè)傳統(tǒng)教學模式的轉(zhuǎn)變。原來分塊而治的各個課程勢必需要重新整合，形成整體合力式的項目式教學，構(gòu)建“原理結(jié)構(gòu)—實體建模—仿真分析—增材制造—技能拓展—自主設計”教學模式，教學內(nèi)容之間銜接更加自然，教學組織更加流暢，全面培養(yǎng)學生綜合所學來解決工程問題的能力。

二、3D打印技術融入應用型本科汽車專業(yè)人才培養(yǎng)的建議

人才培養(yǎng)涉及專業(yè)建設、課程、師資、實驗實訓條件等多方面因素，本文僅從以下幾個重點闡述。

(一)人才需求分析

3D打印技術產(chǎn)業(yè)人才分析可以大致分為兩種，一是與3D打印技術相關的開發(fā)與研究的技術人員，負責對打印設備的開發(fā)、打印材料的研究、打印工藝上的提升等。二是3D打印技術的應用型人員，又可以分為偏向技術應用和商業(yè)應用兩種。偏向技術應用是將3D打印技術與某一專業(yè)領域相結(jié)合進行再開發(fā)和研究的技術型應用。偏向商業(yè)應用則是更偏重于利用3D打印技術進行商業(yè)化運作。3D打印技術與汽車工業(yè)的結(jié)合屬于典型的技術應用，與此相對應的人才就是偏向技術應用型人才。應具有比較扎實的汽車專業(yè)基礎理論知識，同時又能掌握3D打印技術，并能將二者充分融合。3D打印技術已應用到從汽車產(chǎn)品的研發(fā)設計到售后維修、個性化改裝等方面。但梳理相關具體崗位工作職責，可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術的核心應用是汽車產(chǎn)品研發(fā)工作和汽車產(chǎn)品制造工作。汽車產(chǎn)品研發(fā)工作的主要內(nèi)容是新產(chǎn)品原型開發(fā)與設計驗證，主要特點是樣品數(shù)量小，但研發(fā)周期短，節(jié)省成本，這種特點與3D打印技術的特點非常吻合。同時3D打印實際上屬于增材制造，能夠制作一些傳統(tǒng)制造加工技術無法制作的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜細微的產(chǎn)品，這種特點非常適合突破研發(fā)初期新產(chǎn)品造型的局限。所以3D打印技術在汽車產(chǎn)品研發(fā)階段具有很大的優(yōu)勢，應該在人才培養(yǎng)中重點考慮。在汽車產(chǎn)品制造工作中，目前可以通過3D打印制作模具、夾具，但要想完全應用于生產(chǎn)線實現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)還有很大難度。應用型人才就是把成熟的技術和理論應用到實際的生產(chǎn)、生活中的技能型人才。車輛工程專業(yè)作為工科專業(yè)之一，還應具有工程性，所以車輛工程專業(yè)應定位于“工程應用技術型人才”的培養(yǎng)。結(jié)合車輛工程專業(yè)的新工科建設，在人才培養(yǎng)中應注重工程實踐能力、學科交叉能力、創(chuàng)新能力、自主學習能力和人文素養(yǎng)、社會責任等素質(zhì)的培養(yǎng)。在融入3D打印技術后，汽車專業(yè)人才培養(yǎng)應增加以下能力目標:根據(jù)任務選擇恰當3D打印技術和3D打印設備能力;使用三維建模軟件建立三維模型能力;使用3D打印軟件制作實物模型能力;3D打印設備的安裝、調(diào)試、維護保養(yǎng)和維修能力。綜上所述，3D打印技術與新工科要求、汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展、汽車新技術、應用本科院校定位高度契合，所以應該對現(xiàn)有車輛工程人才培養(yǎng)方案進行必要的修改，使人才培養(yǎng)方案能夠更全面地符合上述要求，培養(yǎng)企業(yè)需要的具有創(chuàng)新精神、實踐能力與可持續(xù)競爭力的專業(yè)工程技術人才。在無法突破現(xiàn)有車輛工程專業(yè)作為二級學科的困境下，提出構(gòu)建、明確新能源汽車設計專業(yè)方向的想法。

(二)課程體系建設

融入3D打印技術后的課程體系建設不是簡單加上幾門與3D打印技術相關的課程，而是應該充分考慮3D打印技術與汽車專業(yè)的結(jié)合，在分析崗位所需能力的基礎上，以新工科建設為引導，圍繞汽車產(chǎn)品研發(fā)設計制造，全面考慮教學模式、教學內(nèi)容、教學方法與手段、教學組織與考核評價等多方面問題。一是建設含有3D打印技術基本知識與技能的基礎課程。了解增材制造歷史、概念、用途、前景，理解增材制造主要用到的幾種工藝方法，掌握桌面型3D打印機的結(jié)構(gòu)，熟練掌握桌面型3D打印機的操作方法。能夠按照從簡單到復雜的順序，打印平面幾何拼圖圖形、立體幾何拼圖圖形、卡通擺件圖形、機械結(jié)構(gòu)零件等實物，掌握打印參數(shù)設置、打印支撐的設定、后處理等打印難點。二是建設具有綜合性的特色課程。汽車產(chǎn)品研發(fā)設計階段的主要工作是原型開發(fā)和設計驗證，所以應該設置一門綜合性的課程，使學生能夠綜合以前所學設計開發(fā)汽車產(chǎn)品，要具有一定的設計性、開放性，能夠鍛煉培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。“汽車設計創(chuàng)新實踐”是我校為18級車輛工程專業(yè)開設的一門集中實踐課程，目的是綜合相關課程所學知識，圍繞汽車設計開展創(chuàng)新工程實踐，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。采用項目式教學，教學內(nèi)容選取真實的汽車零部件產(chǎn)品(如保險杠、后視鏡、輪輞等)，在每個項目的授課中按照“原理結(jié)構(gòu)—實體建模—仿真分析—增材制造—技能拓展—自主設計”的順序進行教學。以輪輞的結(jié)構(gòu)設計為例:(1)原理結(jié)構(gòu):請同學們根據(jù)以前所學討論講解其工作原理、結(jié)構(gòu)、分類、功用、設計要點等內(nèi)容。(2)實體建模:使用CATIA軟件三維建模，參數(shù)來源于現(xiàn)有工程圖或測繪，對于一些零部件還可以使用三維掃描儀等設備。(3)仿真分析:使用ANSYS軟件進行仿真分析。(4)增材制造:使用3D打印機打印出實物。(5)技能拓展:在實體建模、仿真分析、增材制造這三個環(huán)節(jié)中，學生除了使用與項目有關的知識點和技能點外，可能還會涉及其他的知識點和技能點，學會舉一反三，比如會使用CATIA軟件中的曲面建模功能給后視鏡建模，那自己能不能試試鼠標建模或其他車型后視鏡建模呢?這個教學環(huán)節(jié)我們稱之為技能拓展。(6)自主設計:教師給出一些設計條件，如工作場所、工作載荷等限定條件，要求學生能夠開展自主設計。最終提交設計說明書、工程圖或三維實體模型、仿真動畫等形式。比如，老師給出“重型卡車外后視鏡的結(jié)構(gòu)設計”題目，要求學生完成自主設計。項目涉及工程制圖、公差測量、零件測繪、機械設計基礎、機械制造基礎、逆向工程、三維實體建模、有限元分析、3D打印、優(yōu)化設計等多方面知識與技能，體現(xiàn)出非常高的綜合性和應用性，對培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力非常有幫助。三是建設含有逆向工程基本知識與技能的拓展課程。逆向工程產(chǎn)品設計就是根據(jù)實物模型實施反向，從而得到新產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的過程，主要用于新產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品改進設計等方面。在汽車零部件設計中常用于優(yōu)化設計，尤其是對汽車零部件的功能、結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化創(chuàng)新。通過逆向工程可以把現(xiàn)有汽車零部件轉(zhuǎn)化成三維模型得到相關準確參數(shù)并進行優(yōu)化，再使用3D打印設備打印出來進行設計驗證。例如，在汽車覆蓋件的設計中，由于其造型往往53是復雜的自由曲面，如果采用傳統(tǒng)的三維建模軟件去建模的話，這個過程是非常麻煩的，設計效率不高。而如果采用逆向技術則可以大大縮短設計周期。所以說逆向工程與3D打印技術在汽車產(chǎn)品研發(fā)設計中兩者相輔相成，相得益彰，是汽車專業(yè)應用型人才必須掌握的兩項技能。通過學習，學生要了解逆向工程技術的基本概念、發(fā)展以及應用，掌握逆向工程軟件的使用方法并應用。

(三)實訓條件建設

逆向工程和3D打印技術具有很強的實踐性和應用性，實訓設備是實施教學的根本保證。加強實訓條件建設，既能為培養(yǎng)汽車專業(yè)技術應用型人才服務，同時有利于打造一支技術過硬的教師隊伍。實訓條件建設應定位于既能滿足于專業(yè)教學、科研、培訓需要，還要貼近產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、企業(yè)生產(chǎn)需求，能夠開展對外培訓。概括為教學實訓/培訓功能、競賽功能、產(chǎn)學結(jié)合功能、研發(fā)功能和公共服務功能。滿足3D打印技術和逆向工程基礎教學需要，配置設備建議:懸臂式3D打印機、機械臂式3D打印機、雙色3D打印機、三角洲3D打印機、DIY式3D打印機(FDM)、光固化3D打印機、3D掃描儀(桌面教學)、后處理工具及耗材等。滿足工業(yè)應用及科研服務需要，配置設備建議:手持式三維掃描儀、FDM工業(yè)級3D打印機、光固化工業(yè)級3D打印機、單目三維掃描儀、全自動非接觸三維影像掃描儀、后處理工具及耗材等。設備擺放按照功能劃分和項目式教學需要要求，設備臺套數(shù)量按照班級學生數(shù)量自定。在實訓條件建設中，由于3D打印設備和逆向工程設備普遍較為昂貴，而學校投入經(jīng)費有限，面臨先期投入不夠，后期運行過程中升級、維管護不到位的現(xiàn)象，造成設備臺套數(shù)量少、技術落后、功能缺失等問題，影響實訓教學實施。在我校首輪3D打印教學實施中具體存在以下問題:一是由于3D打印機數(shù)量少，多組同學需要輪換使用打印機，一組學生在使用時其他組的學生只能先觀摩或做其他事情，造成“窩工”。二是打印速度不高，而且打印時間還和零件復雜程度有關，但是學生實訓課的上課時間是有限的，許多同學到下課時還沒有完成打印，涉及學生還需上其他課程、老師還有其他班的課、老師放學后下班、實訓室留人管理、安全等多種具體問題，對教學組織與管理影響很大。三是實訓學生數(shù)量多，3D打印機需長時間工作，可以說是“歇人不歇馬”，對其耐用性、穩(wěn)定性、可靠性要求極高，一旦出現(xiàn)故障如何維修，平時如何養(yǎng)護，給實訓室管理帶來新問題。四是汽車零部件往往具有外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中曲面多、結(jié)構(gòu)復雜等特點，對打印精度等性能參數(shù)要求較高，由于資金投入少的原因，購置的3D打印機往往達不到要求。面對實訓條件不充分的難題，建議從兩方面加以解決。一是加強校企合作，校企共建教學平臺，由學校方、汽車行業(yè)企業(yè)、3D打印和逆向工程設備銷售企業(yè)三方組成，三方各有所長但又各有所難，只有依托教學平臺才能各取所需。學校方的困惑是設備投入經(jīng)費不足，無法及時購置最新技術的實訓設備。同時也不能及時捕捉汽車行業(yè)中的一線實際問題，學生所學與生產(chǎn)真實情況脫節(jié)。但如果能夠解決這兩個問題，學校方的優(yōu)勢在于可以提供源源不斷的汽車專業(yè)技術應用型人才。汽車行業(yè)企業(yè)最大優(yōu)勢是身處生產(chǎn)一線，最了解汽車行業(yè)新技術發(fā)展趨勢，對人才培養(yǎng)需求目標明確。劣勢和學校方類似，不可能總是不斷投入經(jīng)費去更新設備或招聘掌握新技術的新員工。而3D打印和逆向工程設備銷售企業(yè)主營是銷售設備，但一般也承接一些設計項目。其優(yōu)勢在于總是能夠把握3D打印和逆向工程設備的最新技術發(fā)展，擁有比較前沿的設備。劣勢是銷售不易，面對學校的設備采購往往是周期長、回款慢等問題。三方如果組成教學平臺，銷售方可以先租后賣，學校和汽車企業(yè)的良性發(fā)展又會促進3D打印和逆向工程設備的旺盛需求，達到共贏結(jié)果。二是自行開發(fā)教學儀器設備。自制設備是指教師根據(jù)教學或?qū)嶒瀸嵱柺医ㄔO等工作的需要，自行改造、設計、加工或協(xié)作加工制造的可用于實驗實訓、理論教學的演示儀器設備或教具。有些3D打印機用于學生了解打印機原理、結(jié)構(gòu)、熟悉打印操作，其結(jié)構(gòu)簡單、模塊化程度較高，對打印結(jié)果精度要求不高，這類3D打印機完全可以通過自制設備途徑予以解決。既節(jié)約設備投入經(jīng)費，又能滿足教學實際需要，同時提高了參與教師和學生的專業(yè)知識和工程實際水平。

結(jié)語

3D打印技術符合汽車工業(yè)發(fā)展，符合工業(yè)升級的需要，能夠促進汽車專業(yè)技術應用型人才的培養(yǎng)。在專業(yè)建設中要認真分析人才需求和崗位職業(yè)能力的新變化，在課程建設中形成3D打印技術方向的特色課程，在教學模式、教學內(nèi)容、考核評價等方面進行教學改革。同時抓好實訓條件建設，通過建立三方教學平臺和自制教學設備兩方面解決實訓條件中硬件不足的問題。

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作者：李欣 單位：天津中德應用技術大學