智能制造背景下高分子材料成型工程實(shí)踐課程建設(shè)及探索

趙江濤，吳志超，王俊敏

（華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心，湖北武漢430074）

1 引言

智能制造是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向，在此背景下教育部門提出了建設(shè)新工科的總體目標(biāo)，以探索新的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力和跨界整合能力的專業(yè)人才[1]。傳統(tǒng)的工程實(shí)踐課程存在教學(xué)內(nèi)容老化，以教師為中心進(jìn)行教學(xué)，不能滿足智能制造對(duì)創(chuàng)新能力的要求，而且傳統(tǒng)培養(yǎng)模式中存在教學(xué)內(nèi)容單一，各工種之間跨界整合能力不足等問題[2]。因此探索智能制造實(shí)踐課程改革，培養(yǎng)更多滿足未來需求的智能制造人才具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。在此背景下，華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心以智能制造為核心建設(shè)了一批一流的教學(xué)支撐平臺(tái)，新建了高分子材料成型實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，對(duì)高分子材料成型實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索。

2 教學(xué)硬件設(shè)備

傳統(tǒng)的大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)不包括高分子材料成型，在此次智能制造教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中，華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心結(jié)合目前高分子材料行業(yè)的發(fā)展和本科生的培養(yǎng)方案，選用模壓成型和注射成型方法，以IMD技術(shù)為核心構(gòu)建了一條高分子成型產(chǎn)線。高分子成型產(chǎn)線的主要設(shè)備包括自動(dòng)上料機(jī)，紅外加熱平臺(tái)，數(shù)控?zé)釅簷C(jī)，6軸軌道機(jī)器人及治具，注塑機(jī)，注塑機(jī)上料系統(tǒng)，風(fēng)冷冰水機(jī)，模溫機(jī)，機(jī)器視覺檢測平臺(tái)，成品輸送裝置，激光打標(biāo)系統(tǒng)，智能產(chǎn)線中控系統(tǒng)，和產(chǎn)線配套的熱壓模和注射模以及注射工藝監(jiān)控系統(tǒng)，塑件質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)和注射智能工藝系統(tǒng)，高分子成型產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 高分子材料成型產(chǎn)線

3 教學(xué)軟件建設(shè)

3.1 教學(xué)目標(biāo)

高分子材料成型實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)是：

（1）了解熱壓和注射等典型高分子材料成型工藝的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。

（2）熟悉高分子材料成型產(chǎn)線的組成、產(chǎn)線運(yùn)行過程。

（3）能夠利用高分子材料成型產(chǎn)線設(shè)計(jì)、制造個(gè)性化塑件。

（4）熟悉注射模的原理、結(jié)構(gòu)及工作過程。

（5）了解高分子材料成型工藝設(shè)計(jì)與仿真，能夠利用華塑CAE軟件進(jìn)行典型塑件的模擬仿真。

（6）樹立自主創(chuàng)新的意識(shí)、激發(fā)愛國熱情。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心作為全校公共的基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，教學(xué)對(duì)象面向全校各個(gè)專業(yè)的學(xué)生，因此實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)置在保證一定專業(yè)深度的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)專業(yè)的廣度，以滿足新工科對(duì)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的需求，教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）高分子材料成型產(chǎn)線的運(yùn)行演示。

高分子材料成型產(chǎn)線綜合集成了機(jī)械、材料、電氣、化工、機(jī)器人、自動(dòng)化控制等多學(xué)科的知識(shí)，每個(gè)專業(yè)的學(xué)生都可以找到自己的專業(yè)興趣點(diǎn)，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到單一學(xué)科在實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)線中的局限性，只有多學(xué)科的交叉融合，才能解決實(shí)際生產(chǎn)問題。高分子材料成型產(chǎn)線的運(yùn)行過程如下：將做好的膜片放到上料工作臺(tái)，高分子材料成型產(chǎn)線啟動(dòng)，機(jī)器人將膜片從上料工作臺(tái)取出，送到熱壓機(jī)里進(jìn)行加溫并壓制成型，只有經(jīng)過熱壓后的膜片才能更好的貼合塑件表面，然后機(jī)器人將熱壓后的膜片送入注塑機(jī)模具內(nèi)部，注塑機(jī)完成注射后得到塑件，然后機(jī)器人將塑件從模具內(nèi)部取出，送到塑件質(zhì)量檢測平臺(tái)進(jìn)行質(zhì)量檢測，塑件質(zhì)量檢測平臺(tái)包括兩個(gè)CCD攝像頭，可以檢測出常見的注射缺陷，檢測合格的塑件送到激光打標(biāo)平臺(tái)，在塑件上標(biāo)記出生產(chǎn)日期和生產(chǎn)批號(hào)，最后機(jī)器人將制造完成的塑件送到成品輸送裝置，完成后高分子材料成型產(chǎn)線進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

（2）注塑機(jī)的操作講解和注射工藝介紹。

影響高分子成型塑件質(zhì)量最重要的兩個(gè)設(shè)備是注射工藝和模具。塑料經(jīng)過加熱、塑化后，通過澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔。注射工藝中最重要的工藝參數(shù)是溫度和壓力，以及動(dòng)作時(shí)間。在授課過程中，除了按正常工藝參數(shù)進(jìn)行注塑機(jī)的操作演示，還設(shè)置了一些非正常工藝參數(shù)，注射得到一些帶有典型缺陷的塑件，讓學(xué)生對(duì)注射缺陷有直觀認(rèn)識(shí)，并且了解注射工藝參數(shù)對(duì)塑件質(zhì)量的直接影響。

（3）注射模的分解與結(jié)合。

模具素有“工業(yè)之母”的稱號(hào)，只要有批量生產(chǎn)就離不開模具。工程實(shí)踐課程不僅要讓學(xué)生懂得如何做好一個(gè)塑件，還要理解做好一個(gè)塑件和做好一批塑件的差異，因此了解模具的基本結(jié)構(gòu)和工作過程就非常重要。在授課過程中，組織學(xué)生對(duì)典型的注射模進(jìn)行分解與結(jié)合，在實(shí)際動(dòng)手操作過程中，掌握注射模的基本結(jié)構(gòu)和工作過程。

（4）華塑CAE軟件模擬仿真訓(xùn)練。

華塑CAE軟件能夠模擬分析不同工藝參數(shù)下的注射成型過程，分析當(dāng)前工藝參數(shù)下可能出現(xiàn)的注射缺陷。整個(gè)模擬分析過程分為模型導(dǎo)入、數(shù)據(jù)前處理、模擬分析和分析結(jié)果后處理組成。數(shù)據(jù)前處理部分，可進(jìn)行澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以由CAD系統(tǒng)導(dǎo)入流道和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。分析模塊包括注射充填模擬，壓力場、溫度場模擬，翹曲量等，分析結(jié)果可自動(dòng)生成分析報(bào)告。通過高分子材料成型產(chǎn)線運(yùn)行演示、注塑機(jī)的操作和注射模的分解與結(jié)合，同學(xué)們對(duì)注射過程有了直觀感受，也認(rèn)識(shí)到注射工藝參數(shù)對(duì)注射質(zhì)量的直接影響，通過華塑CAE軟件可得到不同工藝參數(shù)下注射過程的模擬仿真以及可能產(chǎn)生的注射缺陷，通過虛實(shí)結(jié)合對(duì)比，加深理解注射工藝參數(shù)和注射質(zhì)量之間的關(guān)系。

3.3 教學(xué)效果

高分子材料成型實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)投入運(yùn)行近一年來，我校理工科專業(yè)共計(jì)近2，000人參與了本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生反映效果良好。根據(jù)收集上來的教學(xué)反饋表顯示，學(xué)生們不僅明白了高分子材料成型的原理，還理解了注射工藝參數(shù)對(duì)塑件質(zhì)量的直接影響。通過華塑CAE仿真軟件，可以模擬注射過程，分析可能出現(xiàn)的注射缺陷，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，提高塑件質(zhì)量。學(xué)生們?cè)谡n堂上掌握了高分子材料成型的生產(chǎn)工藝流程，課后也可以利用高分子材料成型實(shí)踐平臺(tái)參加各類創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4 結(jié)語

以復(fù)合型、創(chuàng)新型智能制造人才為培養(yǎng)目標(biāo)，新建高分子材料成型產(chǎn)線。通過高分子材料成型工程實(shí)踐課程建設(shè)，探索了智能制造在高分子材料成型工程實(shí)踐課程中的應(yīng)用，制定了新的人才培養(yǎng)方案，通過近一年的教學(xué)實(shí)踐，高分子材料成型實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可大幅提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和跨界整合能力。