增材制造技術(shù)在新工科教學中的探索與應用研究

李鵬飛 楊超君 周建忠

摘 要：本文介紹了增材制造的加工過程，結(jié)合試驗加工分析不同的加工方式、加工材料、加工機理和加工過程。將增材制造技術(shù)引入新工科大學生的實踐和教學中，利用學院提供的平臺，通過課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事，讓學生將增材制造與其他課程融會貫通，掌握其中的原理和方法。充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造活力，提高新工科大學生的實踐能力，培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)新性能力，在實際教學中取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：增材制造; 新工科; 實踐教學; 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）12-129-002

1.引言

隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，增材制造越來越多的應用于各行各業(yè)中，不僅包括民生的醫(yī)療、建筑、藝術(shù)，而且在工業(yè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的汽車輕量化和模具制造等領(lǐng)域應用廣泛，另外，在航空航天、核電、船舶等高端裝備制造領(lǐng)域嶄露頭角[1]?！吨袊圃?025》中明確指出，要加快增材制造技術(shù)以及高端裝備的研發(fā)，十四五發(fā)展規(guī)劃中增材制造也占有極為重要的地位。因此，作為培養(yǎng)能夠適應于未來科技發(fā)展領(lǐng)域的科技人才，高校也要積極開設(shè)增材制造相關(guān)課程，進行相關(guān)科學研究和專業(yè)教學的發(fā)展改革。

增材制造技術(shù)不同于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等通過去除材料的加工，而是利用離散化思想，堆積制造，是一種由三維數(shù)據(jù)直接驅(qū)動的零件制造科學技術(shù)。增材制造有不同的分類，包括定向能量沉積、激光選區(qū)熔化、光固化技術(shù)、熔融擠壓技術(shù)等，并且隨著技術(shù)的進步，新的增材制造工藝也會逐漸產(chǎn)生。通常增材制造不需要傳統(tǒng)加工的刀具和夾具，可以在一臺機床上從無到有的制造出零件，并且可以實現(xiàn)任意復雜曲面的加工，解決了復雜結(jié)構(gòu)零件成形困難、工序復雜的問題，同時還能夠大幅縮短生產(chǎn)周期，在機械零件的加工中扮演著越來越重要的角色[2]。

在本科院校中，無論是材料加工專業(yè)，還是機械專業(yè)，包括其他的工科專業(yè)，都可以開設(shè)增材制造的相關(guān)課程，可以根據(jù)工程應用的需求，設(shè)計對應形狀的零件，采用增材制造方式加工。另外，針對藝術(shù)等文科專業(yè)，增材制造仍然是一門極具價值的課程，可以發(fā)揮學生的想象力，設(shè)計不同形狀、色彩搭配的藝術(shù)品，然后通過增材制造的方式加工，在參加大學生創(chuàng)新大賽等賽事中作為創(chuàng)意的實際展現(xiàn)，具有極高的價值。增材制造技術(shù)是一門涉及多學科、多技術(shù)的，相對傳統(tǒng)銑削減材的新技術(shù)。作為新時代的教師，尤其是新工科的教師，掌握增材制造這一前沿技術(shù)，結(jié)合自身的理解，為學生講解增材制造發(fā)展趨勢，并融入教學當中，能夠顯著激發(fā)學生的上課積極性，促進教學質(zhì)量的提升[3]。

在新工科專業(yè)教學中，通過增材制造的學習，可以了解到相關(guān)材料的制備、加工方法的對比分析，深入明晰增材制造與傳統(tǒng)加工在能耗、加工周期、精度等的差異，對比學習也能夠使教學課堂更加生動，讓學生自行設(shè)計三維結(jié)構(gòu)零件，提高對增材制造的認識和理解。將增材制造與其他相關(guān)科目結(jié)合，可以提升學生創(chuàng)新能力，激發(fā)學生學習的積極性和樂趣，培養(yǎng)出緊跟先進制造的專業(yè)化人才。本文旨在探討增材制造在新工科中的教學改革和應用。

2.增材制造教學試驗

2.1教學用增材制造分類

通常在教學過程中很少采用金屬增材制造的方式，一方面由于其價格昂貴，另一方面加工困難，高溫易出現(xiàn)意外，所以多數(shù)采用高分子塑料等低熔點、易加工材料。主要分為以下五種：光固化成形（SLA）;疊層實體制造（LOM）;熔融沉積制造（FDM）;選擇性激光燒結(jié)（SLS）;三維印刷成形（3DP）。無論采用何種加工方式，根本的原理均是將三維零件進行切片分層，在每層中設(shè)定加工的路徑軌跡，分別獲得每層的加工后，層層疊加即可獲得最終所需要的零件。而從實際教學出發(fā)，綜合考慮試驗效果、噪音、污染等方面因素，多數(shù)高校均采用熔融沉積制造進行教學研究。

2.2教學試驗加工材料

目前，針對熔融沉積制造最方面的是高分子材料，包括ABS塑料、PLA塑料、尼龍、聚碳酸酯等，他們都具有較高的硬度、任性和較好的塑性。在這些材料中，PLA材料由于其熱變形小、成型后穩(wěn)定性高、已加工等優(yōu)點，并且對環(huán)境污染小，無毒可降解，所以，教學過程中最合適材料為PLA塑料。

2.3熔融沉積制造加工原理

在工控機發(fā)出加工指令后，步進電機開始工作，帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動齒輪帶動PLA絲料的進給;同時，由于電熱棒的加熱作用，會在絲料從噴嘴送出之后迅速熔化;由于絲料連續(xù)進給，并且不斷熔化沉積，冷卻后形成具有一定高度的實體零件;通過控制工作臺的Z方向移動，可以實現(xiàn)不同分層的加工制造;通過控制工作臺在X/Y方向的移動，可以實現(xiàn)在層內(nèi)不同位置的加工制造;通常PLA熔融沉積制造的層高約為0.1mm～0.2mm，每次工作臺Z向移動對應高度，可以完成整個零件的增材成形加工。

2.4增材制造技術(shù)加工過程分析

增材制造包括三維造型、前處理、打印成形、后處理等4個階段。（1）三維造型階段。在這一階段分為兩種設(shè)計方式，包括正向設(shè)計和逆向設(shè)計。正向設(shè)計指的是通過二維或三維繪圖軟件設(shè)計所需要的加工的零件尺寸和形狀;相反，逆向設(shè)計指的是已經(jīng)具有實體零件的前提下，通過高精度尺寸測量的方式，獲得大量的三維點云，然后利用數(shù)據(jù)處理，獲得所需要的零件尺寸形狀。（2）前處理階段。無論是通過正向設(shè)計，還是逆向設(shè)計，在得到三維形狀后，均需要通過三維切片的方式將零件劃分為一層層的結(jié)構(gòu)，并轉(zhuǎn)化為STL格式文件。然后將其轉(zhuǎn)化為打印機可識別的路徑文件。將規(guī)劃好的STL格式文件導入軟件中，進行簡單的模擬加工，評估加工時間和支撐。不同的加工參數(shù)最終得到的精度是不同的，甚至會出現(xiàn)塌陷等問題，因此，需要根據(jù)不同的零件對加工參數(shù)進行微量調(diào)整。（3）打印成形階段。在已經(jīng)導入各層路徑文件的時候，啟動增材制造設(shè)備加工運行，逐層打印，最終累加成形。（4）后處理階段。由于增材制造的零件表面質(zhì)量較差，部分零件還存在支撐，需要對加工零件進行打磨、拋光、去支撐等。

3.增材制造在新工科中的應用

在新工科的教學中加入增材制造的相關(guān)課程具有非常多的優(yōu)勢，不僅可以顯著激發(fā)學生的學習興趣和熱情，而且能夠提高學生的創(chuàng)造性和動手加工能力，促進新時代教學的發(fā)展，提高對學生能力的培養(yǎng)，符合全面培養(yǎng)能力，實現(xiàn)教學改革的目的。而增材制造這一課程的開設(shè)還能夠豐富現(xiàn)有的培養(yǎng)體系，而熔融沉積制造設(shè)備的采購能夠為學生參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等多種賽事提供平臺，為學校培養(yǎng)特殊才能的專業(yè)化人才提供支持和保障[5]。

3.1支持新工科專業(yè)課程群建設(shè)

增材制造的學習涉及到學生早期學習的公共課與專業(yè)基礎(chǔ)課等，比如理論力學、電工電子技術(shù)和高等數(shù)學的微元法思想等，都為增材制造課程的發(fā)展提供了相應的技術(shù)支撐。在學習完增材制造之后，又反過來為新工科專業(yè)課奠定堅實的基礎(chǔ)，比如液壓與氣壓傳動、機械原理、機械設(shè)計等，在這些課程中，學生可以自由設(shè)計所需要的學習零件，通過三維建模，打印的方式將零件加工出來，擴大了課堂教學的趣味性，從而提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)教學的跨越式發(fā)展。

在《機械原理及設(shè)計》課程中，涉及到許許多多的螺栓連接、軸承、齒輪等，通過增材制造將對應的典型零件加工出來，讓學生明白其中的加工方式，并且結(jié)合傳統(tǒng)銑削加工，從幾何角度判斷是否會出現(xiàn)干涉等，為實際零件的機械加工提供直觀的感受和學習氛圍，為復雜結(jié)構(gòu)零件的分析和講解打下基礎(chǔ)。

在《液壓與氣壓傳動》課程中，可以通過增材制造快速設(shè)計加工中對應的液壓氣壓元件，通過剖切方式讓學習明白其中的內(nèi)部構(gòu)造，進而了解運行的工作原理，為后續(xù)回路分析的學習打下基礎(chǔ)。

在《工程材料及其成型技術(shù)》學習中，由于涉及到多種材料成形方式，尤其是通常難以見到的鑄造和鍛造，如何設(shè)計模具，又如何利用增材制造的方式為這種加工方式提供便利性，使學生深入理解不同復雜模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工過程，為后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

增材制造在新工科專業(yè)學習過程中最大的優(yōu)勢是可以快速的設(shè)計和加工出所設(shè)計的零件，及時更新過時陳舊的零件，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度更高，也可以激發(fā)學生參與設(shè)計的熱情，開發(fā)新的教學模具，促進新工科專業(yè)課程設(shè)計改革和發(fā)展，提高教學質(zhì)量。

3.2支持大學生各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事

增材制造課程非常有助于大學生參加多種多樣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，有效地解決了設(shè)計后難以加工展示的問題。而創(chuàng)新設(shè)計大賽、建模大賽和工程訓練大賽等也隨著實物展示更加豐富多彩。其中，全國三維數(shù)字化大賽有專門的增材制造或3D打印專項賽，而參加此類賽事可以激發(fā)學生發(fā)揮主觀能動性和想象力，大幅縮短了從設(shè)計理念到實物成形的周期，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)造活力[6]。

我院和工業(yè)中心聯(lián)合為大學生提供增材制造的平臺，鼓勵學生參加各類比賽，在場地、經(jīng)費、導師指導等方面支持力度顯著，快速設(shè)計產(chǎn)品，大幅縮短了設(shè)計零件的制造周期。

3.3豐富新工科專業(yè)課程體系

增材制造能夠擴大加工教學的課程體系，在講解傳統(tǒng)車削、銑削、磨削等減材加工的基礎(chǔ)上，對比性講解增材制造的加工方式，另外，還可以對等材鑄造或鍛造做對比分析，從成形機理、加工方案、零件性能等角度對比不同加工方式下的差異。并且根據(jù)我院校新工科不同專業(yè)培養(yǎng)學生，使其具有選擇不同加工工藝、多樣化解決問題的能力，而增材制造技術(shù)是滿足這一要求的最為合適的方法之一。

根據(jù)現(xiàn)有的新工科培養(yǎng)方案，已有許多課程與增材制造緊密相關(guān)，包括《工程圖學》《機械原理及設(shè)計》《材料成形技術(shù)》和《機械制造基礎(chǔ)》等，為滿足更高的能力培養(yǎng)要求和專業(yè)化人才需求，應當設(shè)置增材制造課程，與其他課程共同作用，進一步完善新工科的專業(yè)課程體系。

4.總結(jié)

任何時期的教育都應該結(jié)合時代的發(fā)展和需求，而新工科背景下教學應該著力激發(fā)大學生的創(chuàng)新活力。在高等院校中增加增材制造課程，符合當前院校的人才培養(yǎng)目標。并且增材制造技術(shù)有助于豐富課程體系，為其他課程的講解提供直觀的認識和理解，提高專業(yè)課程教學質(zhì)量，為學生創(chuàng)新能力的提升提供保障，同時也為本科型新工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)提供支撐。

此文由2019年國家重點研發(fā)計劃，項目名稱：典型材料零件清潔切削試驗驗證與評價，項目編號：2019YFB2005401;2018年國家自然科學基金面上項目，航空發(fā)動機單晶零件磨削加工工藝理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究，項目編號：51775100;2018年教育部中央高?；究蒲袑ｍ?，增減材復合加工工藝機理與質(zhì)量控制研究，項目負責人：李鵬飛，項目編號：N170306003

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