李鵬飛 楊超君 周建忠

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

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）12-129-002

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，增材制造越來(lái)越多的應(yīng)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(chē)輕量化和模具制造等領(lǐng)域應(yīng)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?guó)制造2025》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(yīng)于未來(lái)科技發(fā)展領(lǐng)域的科技人才，高校也要積極開(kāi)設(shè)增材制造相關(guān)課程，進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究和專(zhuān)業(yè)教學(xué)的發(fā)展改革。

增材制造技術(shù)不同于傳統(tǒng)的車(chē)、銑、刨、磨等通過(guò)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(dòng)的零件制造科學(xué)技術(shù)。增材制造有不同的分類(lèi)，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(jìn)步，新的增材制造工藝也會(huì)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(tái)機(jī)床上從無(wú)到有的制造出零件，并且可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜曲面的加工，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形困難、工序復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)還能夠大幅縮短生產(chǎn)周期，在機(jī)械零件的加工中扮演著越來(lái)越重要的角色[2]。

在本科院校中，無(wú)論是材料加工專(zhuān)業(yè)，還是機(jī)械專(zhuān)業(yè)，包括其他的工科專(zhuān)業(yè)，都可以開(kāi)設(shè)增材制造的相關(guān)課程，可以根據(jù)工程應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)形狀的零件，采用增材制造方式加工。另外，針對(duì)藝術(shù)等文科專(zhuān)業(yè)，增材制造仍然是一門(mén)極具價(jià)值的課程，可以發(fā)揮學(xué)生的想象力，設(shè)計(jì)不同形狀、色彩搭配的藝術(shù)品，然后通過(guò)增材制造的方式加工，在參加大學(xué)生創(chuàng)新大賽等賽事中作為創(chuàng)意的實(shí)際展現(xiàn)，具有極高的價(jià)值。增材制造技術(shù)是一門(mén)涉及多學(xué)科、多技術(shù)的，相對(duì)傳統(tǒng)銑削減材的新技術(shù)。作為新時(shí)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(xué)生講解增材制造發(fā)展趨勢(shì)，并融入教學(xué)當(dāng)中，能夠顯著激發(fā)學(xué)生的上課積極性，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升[3]。

在新工科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，通過(guò)增材制造的學(xué)習(xí)，可以了解到相關(guān)材料的制備、加工方法的對(duì)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(duì)比學(xué)習(xí)也能夠使教學(xué)課堂更加生動(dòng)，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)零件，提高對(duì)增材制造的認(rèn)識(shí)和理解。將增材制造與其他相關(guān)科目結(jié)合，可以提升學(xué)生創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和樂(lè)趣，培養(yǎng)出緊跟先進(jìn)制造的專(zhuān)業(yè)化人才。本文旨在探討增材制造在新工科中的教學(xué)改革和應(yīng)用。

2.增材制造教學(xué)試驗(yàn)

2.1教學(xué)用增材制造分類(lèi)

通常在教學(xué)過(guò)程中很少采用金屬增材制造的方式，一方面由于其價(jià)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(diǎn)、易加工材料。主要分為以下五種：光固化成形（SLA）;疊層實(shí)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(wú)論采用何種加工方式，根本的原理均是將三維零件進(jìn)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(shí)際教學(xué)出發(fā)，綜合考慮試驗(yàn)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(jìn)行教學(xué)研究。

2.2教學(xué)試驗(yàn)加工材料

目前，針對(duì)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(diǎn)，并且對(duì)環(huán)境污染小，無(wú)毒可降解，所以，教學(xué)過(guò)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(jī)發(fā)出加工指令后，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)PLA絲料的進(jìn)給;同時(shí)，由于電熱棒的加熱作用，會(huì)在絲料從噴嘴送出之后迅速熔化;由于絲料連續(xù)進(jìn)給，并且不斷熔化沉積，冷卻后形成具有一定高度的實(shí)體零件;通過(guò)控制工作臺(tái)的Z方向移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)不同分層的加工制造;通過(guò)控制工作臺(tái)在X/Y方向的移動(dòng)，可以實(shí)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(tái)Z向移動(dòng)對(duì)應(yīng)高度，可以完成整個(gè)零件的增材成形加工。

2.4增材制造技術(shù)加工過(guò)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(gè)階段。（1）三維造型階段。在這一階段分為兩種設(shè)計(jì)方式，包括正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)指的是通過(guò)二維或三維繪圖軟件設(shè)計(jì)所需要的加工的零件尺寸和形狀;相反，逆向設(shè)計(jì)指的是已經(jīng)具有實(shí)體零件的前提下，通過(guò)高精度尺寸測(cè)量的方式，獲得大量的三維點(diǎn)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(wú)論是通過(guò)正向設(shè)計(jì)，還是逆向設(shè)計(jì)，在得到三維形狀后，均需要通過(guò)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(jī)可識(shí)別的路徑文件。將規(guī)劃好的STL格式文件導(dǎo)入軟件中，進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬加工，評(píng)估加工時(shí)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?xí)霈F(xiàn)塌陷等問(wèn)題，因此，需要根據(jù)不同的零件對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行微量調(diào)整。（3）打印成形階段。在已經(jīng)導(dǎo)入各層路徑文件的時(shí)候，啟動(dòng)增材制造設(shè)備加工運(yùn)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(duì)加工零件進(jìn)行打磨、拋光、去支撐等。

3.增材制造在新工科中的應(yīng)用

在新工科的教學(xué)中加入增材制造的相關(guān)課程具有非常多的優(yōu)勢(shì)，不僅可以顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，而且能夠提高學(xué)生的創(chuàng)造性和動(dòng)手加工能力，促進(jìn)新時(shí)代教學(xué)的發(fā)展，提高對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，符合全面培養(yǎng)能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革的目的。而增材制造這一課程的開(kāi)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(gòu)能夠?yàn)閷W(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等多種賽事提供平臺(tái)，為學(xué)校培養(yǎng)特殊才能的專(zhuān)業(yè)化人才提供支持和保障[5]。

3.1支持新工科專(zhuān)業(yè)課程群建設(shè)

增材制造的學(xué)習(xí)涉及到學(xué)生早期學(xué)習(xí)的公共課與專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課等，比如理論力學(xué)、電工電子技術(shù)和高等數(shù)學(xué)的微元法思想等，都為增材制造課程的發(fā)展提供了相應(yīng)的技術(shù)支撐。在學(xué)習(xí)完增材制造之后，又反過(guò)來(lái)為新工科專(zhuān)業(yè)課奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，比如液壓與氣壓傳動(dòng)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等，在這些課程中，學(xué)生可以自由設(shè)計(jì)所需要的學(xué)習(xí)零件，通過(guò)三維建模，打印的方式將零件加工出來(lái)，擴(kuò)大了課堂教學(xué)的趣味性，從而提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的跨越式發(fā)展。

在《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程中，涉及到許許多多的螺栓連接、軸承、齒輪等，通過(guò)增材制造將對(duì)應(yīng)的典型零件加工出來(lái)，讓學(xué)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(huì)出現(xiàn)干涉等，為實(shí)際零件的機(jī)械加工提供直觀的感受和學(xué)習(xí)氛圍，為復(fù)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(dòng)》課程中，可以通過(guò)增材制造快速設(shè)計(jì)加工中對(duì)應(yīng)的液壓氣壓元件，通過(guò)剖切方式讓學(xué)習(xí)明白其中的內(nèi)部構(gòu)造，進(jìn)而了解運(yùn)行的工作原理，為后續(xù)回路分析的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

在《工程材料及其成型技術(shù)》學(xué)習(xí)中，由于涉及到多種材料成形方式，尤其是通常難以見(jiàn)到的鑄造和鍛造，如何設(shè)計(jì)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(xué)生深入理解不同復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工過(guò)程，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

增材制造在新工科專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中最大的優(yōu)勢(shì)是可以快速的設(shè)計(jì)和加工出所設(shè)計(jì)的零件，及時(shí)更新過(guò)時(shí)陳舊的零件，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度更高，也可以激發(fā)學(xué)生參與設(shè)計(jì)的熱情，開(kāi)發(fā)新的教學(xué)模具，促進(jìn)新工科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)改革和發(fā)展，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.2支持大學(xué)生各類(lèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事

增材制造課程非常有助于大學(xué)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(jì)后難以加工展示的問(wèn)題。而創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、建模大賽和工程訓(xùn)練大賽等也隨著實(shí)物展示更加豐富多彩。其中，全國(guó)三維數(shù)字化大賽有專(zhuān)門(mén)的增材制造或3D打印專(zhuān)項(xiàng)賽，而參加此類(lèi)賽事可以激發(fā)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性和想象力，大幅縮短了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)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(xué)生提供增材制造的平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類(lèi)比賽，在場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、導(dǎo)師指導(dǎo)等方面支持力度顯著，快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品，大幅縮短了設(shè)計(jì)零件的制造周期。

3.3豐富新工科專(zhuān)業(yè)課程體系

增材制造能夠擴(kuò)大加工教學(xué)的課程體系，在講解傳統(tǒng)車(chē)削、銑削、磨削等減材加工的基礎(chǔ)上，對(duì)比性講解增材制造的加工方式，另外，還可以對(duì)等材鑄造或鍛造做對(duì)比分析，從成形機(jī)理、加工方案、零件性能等角度對(duì)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(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生，使其具有選擇不同加工工藝、多樣化解決問(wèn)題的能力，而增材制造技術(shù)是滿(mǎn)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(xué)》《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》《材料成形技術(shù)》和《機(jī)械制造基礎(chǔ)》等，為滿(mǎn)足更高的能力培養(yǎng)要求和專(zhuān)業(yè)化人才需求，應(yīng)當(dāng)設(shè)置增材制造課程，與其他課程共同作用，進(jìn)一步完善新工科的專(zhuān)業(yè)課程體系。

4.總結(jié)

任何時(shí)期的教育都應(yīng)該結(jié)合時(shí)代的發(fā)展和需求，而新工科背景下教學(xué)應(yīng)該著力激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新活力。在高等院校中增加增材制造課程，符合當(dāng)前院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。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(rèn)識(shí)和理解，提高專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生創(chuàng)新能力的提升提供保障，同時(shí)也為本科型新工科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供支撐。

此文由2019年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，項(xiàng)目名稱(chēng)：典型材料零件清潔切削試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，項(xiàng)目編號(hào)：2019YFB2005401;2018年國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶零件磨削加工工藝?yán)碚撆c技術(shù)基礎(chǔ)研究，項(xiàng)目編號(hào)：51775100;2018年教育部中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)，增減材復(fù)合加工工藝機(jī)理與質(zhì)量控制研究，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：李鵬飛，項(xiàng)目編號(hào)：N170306003

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