姜 旭,鮑 宇,朱昱晨,孫建華,劉可寧

(黑龍江工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心,哈爾濱 150050)

程序等[3]對材料專業(yè)實驗課程教學(xué)問題進行了剖析,針對增材制造創(chuàng)造實驗室課程進行了教學(xué)改革與設(shè)計;張曉玉等[4]針對增材制造理論課程存在的問題,提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式,并設(shè)計了增材制造教學(xué)仿真課程;魏彬等[5]提出了一種集合先進設(shè)計、智能制造、產(chǎn)品優(yōu)化為一體的實踐教學(xué)平臺,該平臺全方位提高學(xué)生設(shè)計、制造、開發(fā)等方面的能力;張曉華等[6]分析了增材制造技術(shù)在創(chuàng)新活動中的作用,探討了其結(jié)合形式。

目前我國高校在增材制造工程實訓(xùn)相關(guān)領(lǐng)域課程教學(xué)時間相對較少,教學(xué)體系還不夠完善,教學(xué)內(nèi)容不夠豐富,有待對增材制造工程實訓(xùn)類課程進行進一步研究與探索。文中針對黑龍江工程學(xué)院學(xué)生社團進行試點教學(xué),設(shè)計了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元分析、增材制造加工三個工程實訓(xùn)教學(xué)模塊,對基于增材思維的工程實訓(xùn)課程進行初步探索。

1 工程實訓(xùn)的意義

1)開拓思維,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。基于增材思維工程實訓(xùn)課程的開設(shè),有利于大學(xué)生學(xué)習(xí)先進的設(shè)計技術(shù)與增材制造相關(guān)知識,提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力,為創(chuàng)新項目、大學(xué)生學(xué)科競賽、專利申請等人才發(fā)展和培養(yǎng)提供土壤,促進工程訓(xùn)練中心大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意類活動項目的開展。

2)學(xué)生為主導(dǎo),培養(yǎng)工程實踐能力。與理論課程不同,實訓(xùn)課程更注重學(xué)生的現(xiàn)代工程實踐素養(yǎng),該課程以學(xué)生為課堂主體,教師進行引導(dǎo)式教學(xué),增強學(xué)生在實踐過程中的參與感,同時學(xué)生可以主導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計,通過團隊協(xié)作并合理分工,提高學(xué)生工程實踐能力。

3)完整的產(chǎn)品開發(fā)流程,培養(yǎng)工程思維。傳統(tǒng)的工程實訓(xùn)模式是以金工實習(xí)改革而來,實訓(xùn)教學(xué)手段較為單一,往往與企業(yè)工程項目真實場景相距甚遠[7]。本實訓(xùn)以較為簡單的產(chǎn)品開發(fā)為主要教學(xué)形式,讓學(xué)生了解從先進優(yōu)化設(shè)計到增材制造生產(chǎn)加工的完整流程,對增材產(chǎn)品開發(fā)有一個感性認識,使教學(xué)更貼近企業(yè)真實項目開發(fā)場景,培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

4)多學(xué)科交叉,擴寬知識視野?，F(xiàn)代設(shè)計和增材制造課程涉及到機械、材料、計算機、力學(xué)等多個學(xué)科,通過項目設(shè)計,將學(xué)到的多學(xué)科知識融匯到工程實踐中,擴寬學(xué)生的知識視野,使學(xué)生掌握知識更加全面。

2 工程實訓(xùn)教學(xué)實踐

我國高校工程訓(xùn)練中心發(fā)展相較于國外起步較晚,1998年,我國教育部牽頭啟動了世界銀行貸款“高等教育發(fā)展”項目,建設(shè)了包括清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)等11所高校在內(nèi)的我國首批工程訓(xùn)練中心[8]。目前我國大部分應(yīng)用型本科高校工程訓(xùn)練中心都是從校內(nèi)工廠改辦過來的,教學(xué)模式以傳統(tǒng)金工實訓(xùn)模式居多,即由實訓(xùn)指導(dǎo)教師向?qū)W生講授傳統(tǒng)的工業(yè)加工方法,包括車、鉗、銑、刨、磨等工種。陳舊的課程內(nèi)容和授課方式與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)脫節(jié),內(nèi)容較為枯燥,學(xué)生參與感不強,工程實踐能力很難得到提升。

各地從實際出發(fā)，依托當(dāng)?shù)鬲毦咛厣臍v史民居建筑、多彩的民族風(fēng)情等優(yōu)良條件，建設(shè)以體驗保護為主，休閑娛樂于為輔的“美麗家園”。這一做法在很大程度上傳承了歷史悠久的鄉(xiāng)村文化，也為鄉(xiāng)村旅游提供了優(yōu)質(zhì)的生態(tài)文化旅游資源[1]。

在實訓(xùn)過程中,為了貼近企業(yè)項目情景,文中引入了項目教學(xué)法,實訓(xùn)項目由學(xué)生獨立完成,教師進行引導(dǎo)和會診?，F(xiàn)代設(shè)計與制造工程實訓(xùn)流程如圖1所示。教師為學(xué)生提供幾種零件運動包絡(luò)、間隙要求、材料屬性、邊界條件等開源信息,由教師組織同學(xué)進行自由分組,以3～5人為一個項目小組,讓學(xué)生在給定條件的基礎(chǔ)上,自主選擇設(shè)計內(nèi)容。學(xué)生在小組內(nèi)進行人員分工,并通過指導(dǎo)教師所講授理論和實踐知識,進行協(xié)作配合完成實訓(xùn)項目內(nèi)容。指導(dǎo)教師建立合理的項目驗收和學(xué)生成績考核標(biāo)準,包括成員參與度、組內(nèi)氛圍、產(chǎn)品性能、創(chuàng)新性、工藝性、項目周期、理論知識掌握度及項目報告等內(nèi)容[9],在企業(yè)真實項目評價基礎(chǔ)上,對適用于工程實訓(xùn)教學(xué)的考核評價體系進行建立及優(yōu)化。

圖1 現(xiàn)代設(shè)計與制造工程實訓(xùn)流程

2.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)模塊

輕量化設(shè)計及制造在汽車、航空航天等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景,而拓撲優(yōu)化技術(shù)是提升輕量化設(shè)計水平的有效方法之一。教師主要通過多媒體教學(xué)的形式對三維軟件操作進行講授,軟件主要以UG等三維軟件為主,通過課上課下反復(fù)練習(xí),熟練軟件操作。學(xué)生通過選擇指導(dǎo)教師給定運動包絡(luò)、周邊間隙、優(yōu)化目標(biāo)等條件,以小組為單位自主進行概念數(shù)模設(shè)計,并劃分出數(shù)模的凍結(jié)區(qū)域和優(yōu)化區(qū)域。

應(yīng)用型本科工程實訓(xùn)課程對理論內(nèi)容深度要求不宜過高,主要側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力,而拓撲優(yōu)化理論內(nèi)容深度較深,在工程實訓(xùn)現(xiàn)有學(xué)時里很難讓理論內(nèi)容全部被學(xué)生掌握,因此本教學(xué)模塊主要側(cè)重于熟練使用拓撲優(yōu)化工具,該模塊拓撲優(yōu)化采用Tosca軟件進行教學(xué)指導(dǎo),教師在講授軟件操作同時,讓學(xué)生了解拓撲優(yōu)化輕量化設(shè)計原理及思想,并對拓撲優(yōu)化理論基礎(chǔ)有一定程度的清晰認知。學(xué)生通過指導(dǎo)教師給出的邊界條件、材料屬性等信息,對CAD概念樹模開始拓撲優(yōu)化,根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)數(shù)模的輕量化設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計同時,要考慮到產(chǎn)品的使用條件和增材制造加工工藝特點,提高產(chǎn)品性能和可制造性,這也要求同學(xué)們充分了解現(xiàn)代設(shè)計與制造工程實訓(xùn)整個環(huán)節(jié)的內(nèi)容。圖2為學(xué)生設(shè)計的某汽車支架拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖,圖2中(1)、(2)、(3)分別對應(yīng)設(shè)計流程為CAD概念數(shù)模設(shè)計、拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖2中案例是以概念數(shù)模為拓撲優(yōu)化模型,采用變密度法對連續(xù)體進行優(yōu)化,凍結(jié)約束和載荷施加區(qū)域,設(shè)定應(yīng)變能和體積為設(shè)計響應(yīng),初始體積50%為約束條件。通過Tosca后處理導(dǎo)出STL文件,同學(xué)們可以采用UG等CAD軟件進行二次設(shè)計,也可以采用3-Matic軟件對STL模型文件直接進行編輯。

圖2 支架拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

2.2 有限元分析教學(xué)模塊

有限元分析技術(shù)是通過有限個相互連接的單元描述復(fù)雜的物理系統(tǒng),利用數(shù)學(xué)近似方法求解真實系統(tǒng),該技術(shù)是工程及科研領(lǐng)域最為廣泛的數(shù)值計算法之一[10-11]。通過有限元分析技術(shù)對零件結(jié)構(gòu)合理性進行判斷,確保零件強度剛度滿足要求[12]?，F(xiàn)今有限元技術(shù)在工程領(lǐng)域應(yīng)用已較為廣泛。

有限元分析技術(shù)理論基礎(chǔ)與實踐同樣重要,但是,純有限元理論知識晦澀難懂、涉及知識面廣且內(nèi)容枯燥,而對于企業(yè)級項目有限元分析工程師的理論水平入門要求往往不會特別高,因此對于應(yīng)用型本科工程實訓(xùn)項目,將有限元理論教學(xué)內(nèi)容進行精簡,著重關(guān)注有限元軟件操作的實訓(xùn)部分。本工程實訓(xùn)教學(xué)模塊基于ABAQUS對零件結(jié)構(gòu)進行分析,以靜力學(xué)分析和剛度分析為主要分析類型,根據(jù)分析結(jié)果,對零件局部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,直到滿足目標(biāo)性能要求。一般提升零件結(jié)構(gòu)強度和剛度有以下幾種措施:1)避免較細支臂受到彎曲應(yīng)力;2)減少懸臂結(jié)構(gòu)或縮短懸臂結(jié)構(gòu)長度;3)增大零件過渡曲線,避免局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中;4)采用等強度結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮材料性能;5)降低載荷過度集中,使所受載荷均勻分布;6)減少受力點與支撐點的距離。

以輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)模塊的支架為例,圖3為支架邊界條件,安裝孔約束1～6自由度,支架中心區(qū)域分別受到沿±Z軸方向壓力。圖4為局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果,根據(jù)圖3可知,支架安裝孔倒角最大Mises應(yīng)力超過材料屈服強度(45.6 MPa),通過增大倒角半徑,從而改善結(jié)構(gòu)位置突變程度,可以有效降低應(yīng)力集中問題,優(yōu)化后最大Mises應(yīng)力小于屈服強度。

圖3 支架邊界條件

圖4 有限元分析結(jié)果及局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3 增材制造加工教學(xué)模塊

早期應(yīng)用成熟的增材制造工藝方法包括光固化成形法(SLA)、疊層實體制造法(LOM)、激光選區(qū)燒結(jié)法(SLS)、熔融沉積制造法(FDM)等,近些年涌現(xiàn)出面向金屬材料的增材制造工藝方法,例如:金屬激光選區(qū)熔化法(SLM)、電子束熔化法(EBM)等[13-14]。FDM技術(shù)在增材制造領(lǐng)域具有重要的地位,具有成形范圍廣、環(huán)境污染小、設(shè)備及材料占地少、原料利用率高、后處理簡單等優(yōu)勢,考慮到工程實訓(xùn)教學(xué)成本、教學(xué)環(huán)境等因素,選擇FDM技術(shù)進行工程實訓(xùn)教學(xué)具備較大優(yōu)勢。FDM是通過切片軟件將零件模型分割成二維切片,并擠出較細的熱熔塑料絲,從零件底層開始加工,堆疊成三維實體[15],圖5為FDM技術(shù)原理。

圖5 FDM技術(shù)原理

影響FDM零件成形質(zhì)量因素較多,包括零件擺放位置、切片層厚度、掃描速度、打印溫度、支撐設(shè)計等,因此在加工前有必要對零件結(jié)構(gòu)進行分析,確定合理的成形工藝。FDM支撐技術(shù)分為基底支撐和零件成型支撐兩種,主要作用是零件成形過程中保證零件形狀、減少翹曲、避免零件懸垂結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷,但支撐也不能過度使用,在選擇零件擺放時,應(yīng)盡可能地減少支撐面積,從而減少去除支撐時的工作量,降低后處理對零件表面造成的破壞。

本教學(xué)模塊采用極光爾沃A6桌面3D打印機進行零件打印,圖6為FDM 3D打印設(shè)備。熱塑性塑料絲選用聚乳酸(PLA),該材料通過再生植物木薯、玉米等提取制備,是一種可降解、無刺激性氣味、無毒、無污染的綠色高分子材料,適用于工程實踐教學(xué)中使用[16-17]。

圖6 FDM 3D打印設(shè)備

本教學(xué)模塊要求學(xué)生掌握增材制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作基本原理,每個學(xué)生都能夠熟練使用3D打印設(shè)備進行零件加工,在教學(xué)過程中以小組為單位,由指導(dǎo)教師引導(dǎo),完成設(shè)備調(diào)平、耗材安裝、模型打印、零件后處理等內(nèi)容。在教學(xué)過程中FDM技術(shù)工藝詳細過程如下。

1)STL格式數(shù)據(jù)準備。STL格式文件是用于描述三角網(wǎng)格模型,是3D打印設(shè)備標(biāo)準接口文件。通過CAD軟件將設(shè)計的優(yōu)化模型直接導(dǎo)出STL格式,并要求該文件具備水密性。

2)模型切片處理。將STL文件直接導(dǎo)入切面軟件JGcreat中,通過分析零件結(jié)構(gòu),調(diào)整合適的擺放位置,進行填充率、支撐形式等參數(shù)設(shè)置,將三維模型切片處理,轉(zhuǎn)換成層片模型,導(dǎo)出用于打印的Gcode代碼。

3)工作平臺高度調(diào)平。將噴頭移動到對應(yīng)點,放置調(diào)平測試卡在噴嘴和平臺之間,通過微調(diào)旋鈕對工作平臺高度進行調(diào)整。

4)模型打印。打印前要對設(shè)備進行預(yù)熱,通常平臺溫度約為50 ℃,選擇PLA塑料絲時,噴嘴預(yù)熱溫度約為200 ℃。通過噴嘴擠出熔化塑料絲,按照噴涂軌跡,逐層加工,完成零件打印。

5)模型后處理。完成打印后,使用鏟刀將零件取出,并去除支撐(注意不要破壞零件本體),對于不平整的部位可以用砂紙進行打磨處理。圖7為學(xué)生打印作品。

圖7 學(xué)生打印作品

零件打印完成后,以項目小組為單位,選派項目代表,以PPT的形式對設(shè)計作品進行匯報,由多位實訓(xùn)指導(dǎo)教師對零件進行會診,從零件結(jié)構(gòu)合理性、創(chuàng)新性、加工工藝、成形質(zhì)量對項目小組進行評級(分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級)。結(jié)合項目小組等級,并通過實訓(xùn)過程中每位學(xué)生對項目的參與度、溝通協(xié)作能力、動手能力、理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力等方面,確定該生最終綜合分數(shù)。

3 工程實訓(xùn)效果

第一,教學(xué)效果。以黑龍江工程學(xué)院學(xué)生社團課程為教學(xué)樣本,分成多個項目小組,采用多媒體授課與現(xiàn)場指導(dǎo)相結(jié)合,進行小規(guī)模試點教學(xué)。通過對授課教師和實訓(xùn)學(xué)生進行問卷調(diào)查可知,教師與學(xué)生課堂互動良好,學(xué)生能夠積極主動地參與到實踐活動當(dāng)中,并對現(xiàn)代設(shè)計與增材制造加工有了清晰認知。該課程融合了多學(xué)科基礎(chǔ)知識,拓寬學(xué)生知識面,通過理論與實踐結(jié)合,提高學(xué)生動手操作能力,發(fā)散學(xué)生思維,培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力,該課程設(shè)計也為我校進一步開展增材制造相關(guān)課程建設(shè)提供參考。

第二,教師成長。指導(dǎo)教師通過從課程計劃、內(nèi)容、評價標(biāo)準等方面展開一系列探索與實踐,發(fā)現(xiàn)自身對增材制造技術(shù)與先進設(shè)計專業(yè)知識儲備不足的問題,并對相關(guān)內(nèi)容及時進行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。全新的教學(xué)形式對指導(dǎo)教師提出了更高的要求,通過反復(fù)磨課,實訓(xùn)指導(dǎo)教師在教學(xué)技巧和課程把控能力等方面都有所提升。

第三,人才培養(yǎng)成果。該課程的開設(shè)為大學(xué)生競賽人才孵化提供了良好的培育環(huán)境,參與教學(xué)試點的社團分別在“第七屆工程訓(xùn)練綜合能力競賽黑龍江省選拔賽”取得了勢能驅(qū)動車賽項一等獎2項,工程文化賽項一等獎1項、二等獎1項的優(yōu)異成績,為大學(xué)生社團發(fā)展助力。

4 結(jié)束語

21世紀以來,隨著全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,制造業(yè)面臨著巨大的機遇與挑戰(zhàn),為了適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級需求,先進制造技術(shù)受到全球各國重視,而增材制造技術(shù)作為其關(guān)鍵性技術(shù)之一,得到了迅猛發(fā)展。為了適應(yīng)市場對人才需求的變化,黑龍江工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心針對增材制造的現(xiàn)代設(shè)計與制造的人才培養(yǎng)進行試點教學(xué),并取得較好的教學(xué)效果。該課程融合了計算機輔助設(shè)計、拓撲優(yōu)化、有限元分析、增材制造技術(shù)等多種先進技術(shù)及理念,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、動手能力及工程思維,拓寬學(xué)生視野,為黑龍江工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心繼續(xù)深化及推廣增材制造工程實訓(xùn)課程提供了寶貴經(jīng)驗。