基于激光加工技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練項目研究

■ 朱雪明 曹剛 王鳳華

0 引言

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，我國的高等教育已由20 世紀末的快速發(fā)展轉(zhuǎn)到現(xiàn)在的穩(wěn)定發(fā)展時期，我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展對高等教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量也提出了新的要求。根據(jù)教育部2013 年提出的《關(guān)于完善本科學(xué)校設(shè)置工作的指導(dǎo)性意見》，對于工程訓(xùn)練中心及其教學(xué)定位“工程訓(xùn)練中心要象高校的圖書館、體育館一樣，成為一種常態(tài)化的教育資源[1]?！?/p>

工程訓(xùn)練中心作為學(xué)校的工程素質(zhì)教育平臺，其在成立之初的既被賦予了“第二課堂”“實踐操作基地”等職責(zé)，而在“大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)”“中國制造2025”以及新一輪“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代浪潮中更好的為學(xué)生服務(wù)，做好學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的“抓手”和“臺階”將是新時代工程素質(zhì)教育的關(guān)注重點。

隨著人類社會發(fā)展，新時代創(chuàng)新成果已由“摘果子”似的創(chuàng)新演變?yōu)樵诂F(xiàn)有技術(shù)或產(chǎn)品的基礎(chǔ)上通過對于不同技術(shù)或?qū)W科的交叉實現(xiàn)的“組合式”創(chuàng)新。在這個創(chuàng)新過程中，作為創(chuàng)新主體的人所了解或掌握的知識和技術(shù)就顯得尤為重要。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)將成為學(xué)生創(chuàng)新教育的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，在這個過程中學(xué)生通過對于新知識，新技能的學(xué)習(xí)會初步掌握創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法，為后續(xù)創(chuàng)新能力的提升打下堅實基礎(chǔ)。

1 激光加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

激光加工技術(shù)的主要特點是由激光器產(chǎn)生較大功率的激光束，通過對材料表面的集中照射產(chǎn)生大量熱能來去除材料的加工方式，自20 世紀60 年代問世后就廣泛應(yīng)用于通信、測量、醫(yī)療及加工制造等行業(yè)。經(jīng)過多年發(fā)展，目前已經(jīng)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中的激光加工技術(shù)主要有激光切割、激光打標、激光焊接及激光表面處理等[2]。

激光加工的原理特性決定了其具有非接觸、高精度、高效率及可加工復(fù)雜形狀的特點。由于激光加工的非接觸特性，所以沒有“刀具”的概念，在加工時也不會產(chǎn)生應(yīng)力變形。所以激光加工在加工復(fù)雜的薄片狀零件時具有很大優(yōu)勢，例如大型集成電路板的雕刻與切割，市面上主流的激光雕刻機可以在線寬15～25μm 槽深5～200μm 的范圍內(nèi)以200mm/s 的速度進行加工，且不會造成電路板的變形及破裂。

2 激光加工實訓(xùn)課程設(shè)置中對于創(chuàng)新教育的體現(xiàn)

激光加工實訓(xùn)課程主要分為以下幾個層次，如圖1 所示。

圖1 激光加工教學(xué)體系

（1）日常實訓(xùn)教學(xué)，面向?qū)ο鬄樗械湍昙墝W(xué)生，學(xué)生多為初次接觸激光加工手段。課程以基礎(chǔ)理論講解和激光設(shè)備簡單使用為主，通過指導(dǎo)學(xué)生使用設(shè)備，對于激光加工的特點與加工能力有一個清晰的認識。

（2）綜合創(chuàng)新課程，面向?qū)ο鬄楦吣昙壚砉た茖I(yè)學(xué)生，學(xué)生已接觸過激光加工。課程內(nèi)容主要是通過項目作品的制作來進行，學(xué)生需要使用包括激光加工在內(nèi)的多種手段，按照教學(xué)目標通過團隊合作的方式來制作某些機電結(jié)合的項目作品。

（3）社團創(chuàng)意課程，主要針對木創(chuàng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等學(xué)生社團，社團學(xué)生可以在前期掌握激光加工設(shè)備的基礎(chǔ)上通過發(fā)揮自己的創(chuàng)意制作創(chuàng)意作品。

（4）競賽項目應(yīng)用，工程訓(xùn)練中心一般定位為學(xué)校的“實踐教學(xué)基地”，每學(xué)期都有大量學(xué)生參加各類學(xué)科競賽，在這個參與競賽的過程中，鼓勵學(xué)生通過自己操作包括激光設(shè)備在內(nèi)的各種加工設(shè)備制作作品參加比賽，如圖2 所示。

圖2 激光加工小車車架

3 基于激光加工的各類創(chuàng)新訓(xùn)練項目

3.1 木質(zhì)國風(fēng)書簽

在木創(chuàng)社團的社團活動中，指導(dǎo)老師結(jié)合該激光加工的特點，給定了結(jié)合手工木作和激光加工來制作木質(zhì)書簽的選題方向。根據(jù)題目，首先要求學(xué)生以小組發(fā)揮創(chuàng)意來確定初步方案，然后通過學(xué)生小組交叉評審及投票來選定制作方案。根據(jù)設(shè)計方案，學(xué)生需要制作出具有本小組特色的木質(zhì)書簽，如圖3。

圖3 木質(zhì)國風(fēng)書簽

在制作過程中，通過老師的指導(dǎo)，學(xué)生需要掌握如CAD、RDWORKS 等圖形繪制及激光加工軟件，以及簡單的木作技巧，例如木材的開料、打磨、拋光等技藝。設(shè)計過程學(xué)生需要考慮材料的形狀特點，以及各種裝飾的圖案或者文字，并且需要兼顧考慮作品的美感。例如材料打磨出來后，為了保持輪廓的清晰則需要對材料的邊緣進行切割以及某些花紋的設(shè)計需要適當超出材料邊框等。

在設(shè)計過程中學(xué)生除要求熟練運用各種繪圖工具外，對于學(xué)生的創(chuàng)意以及技能的熟練程度都有一個綜合性的要求，經(jīng)歷了此過程，學(xué)生將對設(shè)備的加工能力、材料的特性等都有了一定的了解，將有利于學(xué)生創(chuàng)新綜合能力的培養(yǎng)。

3.2 創(chuàng)意小盒子

針對非金屬激光加工的設(shè)備特性，設(shè)計此項目作為綜合創(chuàng)新課程的激光加工訓(xùn)練項目。在項目中，學(xué)生根據(jù)設(shè)備能力、材料厚度、作品外形等條件設(shè)計各塊板材的外形尺寸、卡口位置及厚度等內(nèi)容。例如，如果選用3mm 的木芯板作為制作材料則兩塊板之間的卡口尺寸應(yīng)選擇3mm，同時考慮到激光加工的切縫，此卡口尺寸選擇2.95～2.98mm 之間為宜，加工圖例如圖4。

圖4 創(chuàng)意盒子圖紙

作品雖小，但所有問題均是基于實際對象提出，學(xué)生在制作過程中會利用所學(xué)理論知識解決實際問題，在此過程中學(xué)生會涉及到諸如材料利用率方面的成本問題，也有不同板材厚度導(dǎo)致的卡口尺寸配合的工業(yè)問題[4]。通過對于這些實際問題的解決，訓(xùn)練了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，制作成品如圖5。

圖5 創(chuàng)意盒子成品

4 結(jié)語

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)除有創(chuàng)新的思維外，還要有相應(yīng)的技術(shù)能力。而激光加工技術(shù)的應(yīng)用門檻相對較低。學(xué)生通過對于設(shè)備操作知識的簡單學(xué)習(xí)，再結(jié)合他們前期所學(xué)的理論知識，既可以將各種創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。通過理論、設(shè)計、創(chuàng)新這一過程，學(xué)生積累了對于實際工程問題的解決能力，并培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。通過此類實訓(xùn)項目的開展，學(xué)生對于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程有了系統(tǒng)認知，這將十分有利創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的推廣和發(fā)展。