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3D打印技术在汽车CAD课程中的实践教学探究
发布时间:2021-05-31 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
  3D打印技术在汽车CAD课程中的实践教学探究
高 源,金 腾    
(同济大学 汽车学院,上海 201804)
[  ]本文探讨了将3D打印技术引入到汽车CAD课程教学的具体实践之中,通过3D打印技术将学生设计的作品完成为实物模型,从而提高学生对课程的参与感,增强学生对于汽车CAD的学习主动性,提升学生的三维造型能力并加深对于工业加工的理解,达到提高教学质量的目的。
[关键词]3D打印技术;汽车CAD;实践教学;教育教学论坛
[作者简介]在职作者:高源(1983-),女,陕西西安人,工学博士,助理教授,研究方向为质子交换膜燃料电池仿真;金腾(1995-),男(回族),河北沧州人,同济大学汽车学院2018级硕士研究生。
[中图分类号]G642.0
 
一、 汽车CAD课程教学现状
汽车行业是最早应用计算机辅助设计(CAD,Computer-Aided-Design)的领域之一,现代汽车工业的发展与CAD技术密切相关。为培养学生的基础专业技能,提升学生关于汽车行业的综合工程应用能力,我校汽车学院开设了汽车CAD课程,本门课程使用了在汽车行业中被广泛使用的3D设计类软件——CATIA作为主要教学内容。在教学过程我们发现,本课程仍存在着如下问题[1]:
(1) 软件教学相对枯燥,导致学生可以掌握教学中教过的基本命令,但在相对复杂的模型构建时不能有效、灵活地组合运用这些基本命令;
(2) 理论教学与企业需求相脱轨,学生只能够保质保量完成课堂上布置的练习及课后作业,但缺乏主动探索三维设计的积极性。
针对上述问题,如何解决学生学习积极性不高、无法灵活运用所学技能的问题,就是课程改革的重点所在。经过探究,我们决定将3D打印(3D-Printing)技术引入到汽车CAD教学的实践教学中,让学生将自己掌握的专业相关知识构建为实体模型,从而加深学生对于汽车设计的理解以及CAD技能的操作能力[2]。
二、 3D打印技术概述
3D打印技术是快速成型技术的一种,以经过处理后的3D数字文件(通常为STL格式)为基础,使用逐层堆叠各种可粘合材料(金属、塑料或树脂等)的方法来构建出三维实体模型。
3D打印的设计过程是:先通过计算机建模软件(如CATIA、UG、ProE等)进行三维建模,再将建成的符合格式要求的三维模型导入3D打印机中,利用切片软件对模型进行分层分切得到每层的截面信息,继而指导打印机逐层打印[3]。3D打印技术在汽车行业中也已广泛应用,例如可以方便快速的完成高精度汽车零件的制造以及个性化产品的定制,从而降低研发成本,提高效率。因此,3D打印技术是对汽车CAD课程实践环节的重要补充。
三、 3D打印技术在汽车CAD课程中的具体教学实践
a)教学实践内容
3D打印技术作为一种现代加工方法,为汽车CAD课程实践环节的延续和扩展提供了更多的探索。我们通过课程作业的形式,将3D打印技术引入课程的教学实践中,具体实践内容如下:
学生需自主创意设计一尺寸控制在10×10×10(cm)以内的小物件,通过CATIA进行草图,及其结构图的绘制,进行三维模型的展示。并用文字表达出构建过程中所用的CAD基础知识,及所用到的CATIA模块。
最终成绩评价体系为:作品需造型完整,基础命令需灵活运用;如有精巧的造型设计则有适当的奖励加分。对于综合分数最高的作品,会利用3D打印机打印成实体。这样,能最大程度的巩固学生对于课堂教学内容的掌握程度,以及激发学生的设计积极性。
b)学生作品展示
图1为本学期学生的部分优秀作品展示。
(a)陀螺 (b)坦克 (c)盘式制动器
图1 学生作品展示
图1(a)为学生利用创成式外形设计,运用相交、扫掠、封闭曲线等基本命令完成的镂空陀螺的设计。图1(b)为学生通过CATIA零件模块创建草图,以草图为基础创建一系列特征(拉伸、旋转、开槽等)、变换(对称、镜像等),从而建立的坦克3D模型。图1(c)为学生结合汽车设计课程中学到的相关知识,建立了定钳盘式制动器的三维模型,作品考虑到了零件设计、弹簧设计、零件装配以及材料选择。
实践证明,学生们对于能够完成实物成型的课程作业有了一定的自主积极性。学生在完成自己学习任务的过程中,巩固了课程中教授过的各种基础命令,熟练了软件操作技能;在作品设计过程中,积极与老师同学进行互动交流,并自主学习了课程以外的内容,提高了自己的创新意识。这种积极主动的学习行为达到了本次课程实践改革的预期效果。
四、 结语
通过引入3D打印技术作为汽车CAD课程教学实践的补充内容,大大提高了学生的学习主动性和创新意识,改变了之前单纯软件教学的沉闷课堂氛围,实现了师生之间积极的交流互动。学生在自主完成作品设计的过程中,不能只是简单地绘制出抽象的数字模型,还需考虑到作品的新颖性以及作品在3D打印加工过程中的实现可能。本次教学实践改革提高了学生自主学习能力,同时在一定程度上还加深了学生对于工业加工的理解,实现了更好的教学效果。
[参考文献]
[1] 林雪冬. 融入3D打印技术的机械三维CAD课程教学改革初探[J]. 科技创新导报, 2017(36).
[2] 胡彧. 3D打印技术下的汽车CAD教学实践[J]. 中国设备工程, 2017(17).
[3] 周博, 董丽媛. 3D打印在高校教学的应用研究[J]. 机械工程师, 2015(11):175-176.
 
Practical Teaching of Three-Dimensional Printing Technology in Automobile CAD Courses
Gao Yuan, Jin Teng
(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: This article discusses the introduction of 3D printing technology into the practical teaching of automobile CAD courses. Through 3D printing technology, students’ designed works are completed into physical models, thereby improving students’ participation in the course. It enhances students’ initiative to learn about automobile CAD, improves their 3D modelling ability and deepens their understanding of industrial processing, so as to achieve the purpose of improving the quality of teaching.
Keywords: Three-dimensional printing, Automobile CAD, Practical teaching