尹 絢，李春昊，陳宸震，周良宇，龐皓升，張 冰，4

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029; 3.中國航空研究院，北京 100012；4.北京化工大學(xué) 國際交流與合作處暨港澳臺(tái)事務(wù)辦公室，北京 100029)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷升級，催生了線上直播平臺(tái)的出現(xiàn)[1-2]。直播平臺(tái)的出現(xiàn)本來是為了豐富人們的業(yè)余生活，不僅可以欣賞我國的秀美山河，還可以購買當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)產(chǎn)品；不僅可以給孩子們補(bǔ)充自己掌握不牢的知識，還可以帶他們學(xué)習(xí)更廣泛的知識[3-4]。與此同時(shí)，新工科建設(shè)是我國對高等院校課程建設(shè)的要求。不僅可以通過高等院校的授課內(nèi)容與國家戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)需求相結(jié)合，還可以共同面對廣泛的未知的未來挑戰(zhàn)[5-6]。高等院校的工科專業(yè)不僅教授相關(guān)的工學(xué)知識，還培養(yǎng)學(xué)生們的動(dòng)手實(shí)操能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目的。因此，基于新工科建設(shè)大背景，依托先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，普通高等院校的教學(xué)與授課方式也隨之發(fā)生了較大變化。將傳統(tǒng)、單一的線下上課與直播平臺(tái)相結(jié)合，保證學(xué)生學(xué)習(xí)的完整度以及對知識的掌握度[7-8]。

1 快速成型技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的需求

1.1 快速成型技術(shù)的概念

制造業(yè)是我國的立國之本、強(qiáng)國之基、興國之器[9]。但是，通過傳統(tǒng)制造的方式不能方方面皆滿足國家戰(zhàn)略中對制造業(yè)的發(fā)展需求。在當(dāng)今時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等高新技術(shù)與各行各業(yè)相互融合，推動(dòng)行業(yè)內(nèi)及跨行業(yè)的良性發(fā)展。因此，智能制造、高端裝備等新型制造業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。其中，快速成型技術(shù)作為近30年來國際制造業(yè)領(lǐng)域的變革性技術(shù)，因其高效率且低成本的集成化生產(chǎn)模式，為世界工業(yè)界所高度認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造中?？焖俪尚图夹g(shù)(Rapid Prototyping)，又被稱為快速原型制造技術(shù)，它是集CAD、分層制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料工程、數(shù)控技術(shù)和激光技術(shù)等機(jī)械工程領(lǐng)域的尖端科技于一體，可以直接、快速、精確、自動(dòng)地將設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化為具備一定功能與結(jié)構(gòu)的原型件或直接完成零件的制造，可為前沿設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)、原型零部件的研制等方面提供一種低成本、高成效的實(shí)現(xiàn)途徑[10-12]。在眾多的快速成型技術(shù)中，3D打印與激光雕刻技術(shù)由于極簡化的制造流程(3D打印技術(shù)摒棄了生產(chǎn)線，大幅減少了材料和工藝時(shí)間的浪費(fèi))和超高的加工精度(激光雕刻技術(shù)的加工精度可達(dá) 0.02 mm)，突破了傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的產(chǎn)能與幾何限制，推動(dòng)了高性能和高價(jià)值零部件的高效生產(chǎn)，對航天、航空、汽車，以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的變革。

1.2 高校開展快速成型技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的必要性

在工科實(shí)踐課程中開展3D打印與激光雕刻技術(shù)的相關(guān)實(shí)訓(xùn)教學(xué)科目，不僅能夠增強(qiáng)高校工科學(xué)生的個(gè)人職場競爭力，更可以為我國建設(shè)世界一流的制造業(yè)大國、強(qiáng)國輸送和儲(chǔ)備具備高技術(shù)與技能的專業(yè)人才隊(duì)伍。如何合理且有效地制定3D打印與激光雕刻技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，確保學(xué)生的授課進(jìn)度以及學(xué)習(xí)記憶，需要認(rèn)真思索的目標(biāo)。作為學(xué)校快速成型實(shí)踐課程的授課教師之一，筆者將現(xiàn)狀與所授3D打印與激光雕刻技術(shù)課程的內(nèi)容、性質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)狀態(tài)和學(xué)生的掌握情況相結(jié)合，總結(jié)分析授課結(jié)果，制定合理的教學(xué)計(jì)劃，有效保證混合式教學(xué)模式的授課質(zhì)量及效果。

2 3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容設(shè)置及混合教學(xué)模式

2.1 3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容設(shè)置

1)概念及優(yōu)勢。3D打印，又被稱為增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用粉末狀金屬或塑料等材料，以逐層堆疊打印的方式來構(gòu)造三維立體物體的成型技術(shù)[13，14]。這種制造技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、三維建模與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多種學(xué)科的高精尖技術(shù)，形成一體化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、靈活以及快速等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)、直接、精確地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為三維立體的實(shí)物模型，甚至能夠直接制造零件或模具，有效地縮短了零件或模具的研發(fā)周期。

2)基本原理。3D打印機(jī)與與普通打印機(jī)工作原理很相似，區(qū)別是打印材料的不同：普通打印機(jī)的墨盒里裝的是墨水或者墨粉，將墨水或者墨粉打印在紙張上；而3D打印的機(jī)器內(nèi)裝載著金屬、陶瓷、聚合物等 “打印材料”，通過電腦控制自動(dòng)把“打印材料”一層層疊加構(gòu)建在位移平臺(tái)上，最終將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的藍(lán)圖變成立體實(shí)物。整個(gè)過程可總結(jié)為“三維建模設(shè)計(jì)→模型分層處理→成型→后處理”，如圖1所示。其能量來源大多為激光，如光固化成型、選擇性激光燒結(jié)成型，以及分層實(shí)體制造成型，而熔融沉積則以熱量作為成型能源。

3)實(shí)際應(yīng)用。研究者通過不斷改進(jìn)及創(chuàng)新，可以使3D打印技術(shù)持續(xù)邁向精細(xì)化和高速化發(fā)展。這也是對傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的革命性突破。但是，目前可用于3D打印技術(shù)的材料種類有限，大多為液態(tài)光敏樹脂、高分子材料粉末、精細(xì)陶瓷粉末、不銹鋼粉末、合金粉末、熱塑性薄膜等，故此尚無法完全取代鑄鍛、切削等傳統(tǒng)加工制造技術(shù)。因此，傳統(tǒng)制造技術(shù)與3D打印技術(shù)這兩者是一種支持與互補(bǔ)、共同發(fā)展與完善的良性搭配關(guān)系。采用3D打印技術(shù)可以“打印”出真實(shí)的三維立體物體。例如，食物、房屋、家具、太陽能板、汽車外殼、精密零件、機(jī)械臂、人工骨骼等，如圖2所示。由此可見，3D打印技術(shù)可從原型設(shè)計(jì)延伸至生產(chǎn)制造，涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的全過程。在未來，尤其是工程應(yīng)用所需的特定材料，3D打印技術(shù)可以助其增強(qiáng)功能性及商業(yè)價(jià)值。

圖2 3D打印的應(yīng)用

2.2 3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的教學(xué)模式

3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課不僅需要學(xué)生對3D打印有初步的了解，還需要學(xué)生動(dòng)手操作相關(guān)內(nèi)容，包括建立三維設(shè)計(jì)圖紙及打印成品。針對實(shí)訓(xùn)課程的不同部分，其教學(xué)模式也有對應(yīng)的授課模式。下面以線上教學(xué)模式和線下教學(xué)模式分別講述。

1)線上教學(xué)模式。直播平臺(tái)多種多樣，每種直播平臺(tái)也有獨(dú)特的功能。目前，3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課常用的教學(xué)直播平臺(tái)有騰訊會(huì)議和企業(yè)微信會(huì)議。前者能容納100人以上的大型線上直播，后者便于同一單位的人實(shí)名入會(huì)。通常，線上教學(xué)希望能有更多的學(xué)生同時(shí)學(xué)習(xí)、聽課，人數(shù)常為兩三百人甚至更多，此時(shí)騰訊會(huì)議就可以發(fā)揮很大的作用。通過騰訊會(huì)議線上直播平臺(tái)，將不同種類的3D打印技術(shù)的動(dòng)手操作過程一一播放，講解它們不同的工藝原理及應(yīng)用范圍。同時(shí)，還增加線上提問環(huán)節(jié)，收集學(xué)生們的回答，以便于了解學(xué)生們的記憶程度。此外，還可以播放一些三維設(shè)計(jì)視頻，這不僅可以鞏固機(jī)械類學(xué)生的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，還便于非機(jī)械類的學(xué)生加深對于3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)層面的認(rèn)識及興趣。這不僅可以拓展非機(jī)械類學(xué)生的空間與平面轉(zhuǎn)換的思維方式，還能夠?yàn)樗麄兾磥砩龑W(xué)或者工作奠定一定的三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在未來改裝儀器設(shè)備時(shí)具備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)能力。

2)線下教學(xué)模式。以北京化工大學(xué)為例，3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課都是小班制教學(xué)，每堂課的學(xué)生人數(shù)在11至12人。在小班制教學(xué)中，通過solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了簡單的機(jī)械連接件。涉及的基本設(shè)計(jì)模塊有新建零件、選定視圖、剪裁、鏡像、標(biāo)注尺寸、插入拉伸凸臺(tái)、插入切除拉伸，最終得到終圖，具體過程如圖3。在3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課中，主要采用熔融沉積法制備工藝，主要原料為纖維狀熱塑性材料，打印原理是將噴頭加熱進(jìn)而融化原料，通過計(jì)算機(jī)控制噴頭在二維工作臺(tái)平面水平移動(dòng)，將首層(支撐層)沉積好后水平位移平臺(tái)沿著縱向移動(dòng)，繼續(xù)沉積剩余的層，最終通過逐層堆疊得到最終的成品，如圖4(a)所示。通過讓學(xué)生跟隨畫圖，學(xué)會(huì)solidworks設(shè)計(jì)軟件的基本操作，然后采用學(xué)到的設(shè)計(jì)操作，設(shè)計(jì)畫出自己想要打印的圖紙，再將設(shè)計(jì)出來的圖紙導(dǎo)入到3D打印設(shè)備中，熔融沉積得到成品，如圖4(b)所示。

圖3 Soliworks軟件設(shè)計(jì)簡單機(jī)械連接件

圖4 熔融沉積工藝的基本原理(a)及成品(b)

3 激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容設(shè)置及混合教學(xué)模式

3.1 激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容設(shè)置

1)原理及優(yōu)勢。激光雕刻以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，以激光為加工媒介，使得加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達(dá)到精細(xì)加工的目的[15-16]。在激光雕刻過程中，加工設(shè)備無需與材料表面進(jìn)行直接接觸，通過控制激光的能量、光斑大小、光斑運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度等相關(guān)參量，使材料形成要求的立體圖形圖案。按雕刻方式可將激光雕刻分為點(diǎn)陣雕刻和矢量切割雕刻。其中，點(diǎn)陣雕刻酷似高清晰度的點(diǎn)陣打印，掃描的圖形、文字及矢量化圖文都可使用點(diǎn)陣雕刻。矢量切割雕刻則在圖文的外輪廓線上進(jìn)行。相較于車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，激光雕刻具有雕刻范圍廣、速度快、質(zhì)量高、耗能少、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)實(shí)際應(yīng)用。目前，激光雕刻經(jīng)常用于在木材、亞克力、紙張等材料上進(jìn)行穿透切割雕刻?？傻窨痰脑牧嫌心静?、玻璃、塑料、金屬、石材、紙張等。目前最常用的原材料有亞克力、皮革、紙張。對于有機(jī)玻璃，它很容易被切割和雕刻成有各種各樣的形狀和大小，并且成本較低，是工藝品行業(yè)中最為常用的一種雕刻材料。對于皮革，使用激光雕刻不僅操作簡單，還能加快制造速度，為皮革行業(yè)帶來巨大效益。對于紙張，激光雕刻的制版成本僅有樹脂版成本四分之一，在目前的印刷包裝業(yè)上普遍采用激光雕刻制版做為紙箱包裝印刷版。

3.2 激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課的混合式教學(xué)

激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課不僅對同學(xué)的知識點(diǎn)掌握有一定要求，更進(jìn)一步需要學(xué)生運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)二維圖樣，然后在授課教師的操作下完成激光雕刻樣品。針對實(shí)訓(xùn)課程的不同內(nèi)容，其教學(xué)模式也分為線上教學(xué)模式和線下教學(xué)模式。

1)線上教學(xué)模式。因?yàn)榧す獾窨碳夹g(shù)需要使用高能源設(shè)備，對于大一大二的學(xué)生來講，安全操作有一定的難度，因此，通常由授課教師操作整個(gè)激光雕刻的過程。采用騰訊會(huì)議平臺(tái)，將激光雕刻整個(gè)過程一一播放，講解激光雕刻要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。同時(shí)，還能夠增加線上提問環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生的記憶力。此外，還可以播放一些二維設(shè)計(jì)動(dòng)畫或視頻，以便于學(xué)生加深對AutoCAD設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用認(rèn)識，提高自身的綜合素質(zhì)及動(dòng)手能力。

2)線下教學(xué)模式。北京化工大學(xué)的激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課也皆為小班制教學(xué)，單次學(xué)生人數(shù)在11至12人。通過小班制教學(xué)，我們運(yùn)動(dòng)AutoCAD二維平面設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)學(xué)生喜歡的圖樣，然后通過將AutoCAD文件導(dǎo)入到激光雕刻設(shè)備中進(jìn)行制造。在激光雕刻技術(shù)實(shí)訓(xùn)課中，針對非機(jī)械類學(xué)生主要用塑料板為基材進(jìn)行雕刻。針對機(jī)械類學(xué)生通常拓展多種材質(zhì)板材進(jìn)行雕刻，如圖5所示。通過讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)平面圖樣，加深對AutoCAD二維平面設(shè)計(jì)軟件的基本操作，設(shè)計(jì)出自己想要雕刻的圖樣，再將設(shè)計(jì)出來的圖樣導(dǎo)入到激光雕刻設(shè)備中，通過授課教師操作設(shè)備得到最終的成品。

圖5 三種材質(zhì)板的激光雕刻

4 結(jié)語

快速成型實(shí)訓(xùn)課包括3D打印及激光雕刻實(shí)訓(xùn)課，目標(biāo)是將前沿的科技工程技術(shù)及知識與動(dòng)手能力相結(jié)合，更廣度的滿足學(xué)生對知識的渴望，對技術(shù)的掌握，以及增加對未來工作升學(xué)的底氣。對于機(jī)械、材料等高校工科專業(yè)的學(xué)生，通過將快速成型實(shí)訓(xùn)課與混合式教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，熟練掌握其核心知識與關(guān)鍵技能，有助于開拓學(xué)生的創(chuàng)造性思維、提高動(dòng)手實(shí)操能力、增強(qiáng)就業(yè)競爭力，并為建設(shè)“中國制造”的國之大計(jì)輸送和儲(chǔ)備技術(shù)力量。