SLM工艺试验中的问题意识与科学方法论

刁生富　陈向阳

摘 要：本文以翘曲问题为例，分析激光选区熔化技术（SLM）工艺试验中發现问题、分析问题和解决问题的方法论，进而说明科学研究中问题意识和科学方法论的重要性。通过本文的研究可以得到以下启示：科学研究和人才培养要有问题意识、要善于提出问题；要重视方法论教育；要善于抓住和解决关键问题。

关键词：科学研究；问题意识；科学方法论

中图分类号：N031 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0054-02

Problem Consciousness and Scientific Methodology in SLM Process Test

——Taking warp problen for example

DIAO Shengfu1 CHEN Xiangyang2

（1.School of Economic Management and Law， Foshan University，Foshan Guangdong 52800；2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Foshan University，Foshan Guangdong 52800）

Abstract： Based on warp problem as an example， this paper analyzed the laser district found the problem of the melting technique （SLM） process test， the methodology to analyze and solve problems， then explained the problem consciousness of the scientific research and the importance of scientific methodology. Through this study， we can get the following enlightenment： scientific research and talent training should be conscious of problems， be good at asking questions， pay attention to methodological education， and be good at catching and solving key problems.

Keywords： scientific research；problem consciousness；scientific methodology

马克思主义哲学告诉我们，认识是一种能动的反映，是人脑在同外界相互作用的过程中产生和发展的。科学研究的直接目的是认识世界，其要求发现、认识和掌握对象的特点和规律。本文以翘曲问题为例，分析SLM工艺试验中发现问题、分析问题和解决问题的方法论，进而说明科学研究中问题意识和科学方法论的重要性。

1 翘曲问题的提出

科学研究的第一步就是提出问题，而问题的提出是建立在对相关研究课题的了解和初步探究的基础之上的。激光选区熔化技术（SLM）是一种起源于20世纪80年代的先进的制造技术，其是目前可以直接成型零件的最佳工艺之一，属于增材制造（也称3D打印）技术[1]。

SLM制造系统主要包括激光系统、计算机、镜片-伺服马达系统、铺粉系统、传感器系统和保护气控制系统等。其中，最重要的是激光系统和铺粉系统。目前，大部分SLM制造系统采用光纤激光，国内基本依靠进口获得高性能激光器，而铺粉系统决定了后期零件的最下层数和表面质量。

在进行SLM制造系统的工艺改进时，发现成型的零件普遍存在不同程度的边缘翘曲和整体翘曲，具体表现在零件和基板接触的边界及长条形零件的整体弯曲。要知道，SLM技术是可以直接成型零件且该零件可以直接使用的，翘曲问题的出现导致成型零件不能较好地满足制造要求，甚至导致制造失败，即产生废品。对于某些比较贵重的材料而言，加工失败往往意味着巨大的损失。因为目前普遍采用的316L不锈钢粉末在国内不能制造，只能完全依赖进口，价格十分昂贵，更不用说可以用于制造航空发动机的钛合金粉末了。

2 翘曲问题的分析

首先，研究课题确定时的预案和分析。确定研究课题是我们进行实验及后续实验数据分析的第一步，也是发现翘曲问题所应该回溯的第一步。

其次，严格按照研究课题确定的内容进行实验设计和分析。由于很多实验中出现的错误是由实验人员不严格遵守实验流程造成的，因此，应该特别注意对实验人员技能要求和相关职业素养的培养[2]。

最后，也是最关键的一点，科学方法论的运用。科学方法论设计的具体思想较多，这里分析以下三方面。

第一，归纳和演绎的方法。归纳是从特殊事实中概括一般规律的推理形式和思维方法。演绎是从一般到个别，是根据一类事物的一般性质来推断该类中个别事物所具有的性质。归纳和演绎是逻辑学中经典的分析方法，可以帮助我们进行大部分的实验分析。

第二，分析和综合的方法。从本质上来说，分析就是从一个现象层层剖析直达本质的过程。分析和归纳表面有相似的地方，但从本质上看是完全不同的两种方法。分析的具体形式是多种多样的，而归纳的具体形式趋于单一。分析方法与简单的归纳法相比具有较大的优越性，因为其可以充分考虑特殊因素在实验中的影响；而从本质上来说，归纳法是不周密的，其结果具有部分借鉴意义。综合是基于已经认识到的自然规律，将研究对象的各方面本质有机联合成一个整体，从这个整体中生成新的规律的方法。

第三，类比和假设的方法。类比是根据两个或两个以上的事物存在的相同、相似方面来推断其在其他方面也存在相同或相似的一种推理形式。类比不同于归纳和演绎，演绎是一般到特殊、归纳是从特殊到一般，而类比则是从特殊到特殊的推理。假设包含着部分已知的自然规律和部分推测和假定。

对于第一点，归纳是我们基于众多前辈同行的研究得到的经验的总结，演绎是我们利用前人总结出的规律进行合乎逻辑的推理。因此，在翘曲问题上，我们可以借鉴前人对该问题的解决方法或者自己依靠客观规律进行逻辑推理得到解决方法。对于第二点，分析是贯彻我们整个实验过程的，从研究课题的确定到实验，再从实验到最后的实验数据分析等，都离不开分析这一研究方法；综合可以是结合人脑进行的思想实验，是我们基于实验得出的问题或者结论在人脑中进行碰撞，最后产生新的感性认识去验证这些问题或结论，从而形成理性认识。对于第三点，类比是我们在实验设计过程中所采用的方法，可以有效避免某一个实验环节因为某些意外因素导致的实验问题，如翘曲问题，其是普遍存在于成型零件中的，因此可以进行横向类比。假设是当我们解决实验问题的一个关键因素，在实验人员完全不清楚实验问题产生的来源时，应该进行合理的假设，以对该问题有一个大致的把握，这样才能進行资料的收集和分析，最后解决问题。

3 翘曲问题的解决

在经过归纳和演绎的综合作用之后，我们发现，在前人的研究中，对翘曲问题已经有一个大致的解释，即由于粉末熔化后上下两面的冷却速度不同，上面接触空气的冷却快，下面接触基板的冷却慢，因而形成不对称的内应力，从而导致宏观翘曲，尤其体现在零件与基板接触的边缘位置。同时，在经过分析和综合的方法之后，我们对翘曲问题有一个较为清楚的认知，从而在大脑中逐步形成解决该问题的方法。最后，通过类比和假设之后，我们最终确定了翘曲问题是由于激光扫描路径过长和熔化区两面冷却不及时两方面共同作用的结果。

基于上述分析，笔者提出以下解决方案：针对冷却速度不同的问题，可以提升成型箱内的温度，使该零件上下面之间的冷却速度趋于一致；针对激光扫描路径过长的问题，可以优化扫描路径，用较短的扫描路径和小范围多次数的扫描方式来替代原先的扫描方法。

4 启示

通过以翘曲问题为例，分析SLM工艺试验中的问题意识和科学方法论，笔者得到如下启示。

①科学研究和人才培养要有问题意识，要善于提出问题，并善于分析问题和解决问题，在面对形形色色的问题时能做到基本的理性判断，能寻找科学的解决方法。

②要重视方法论教育。知识的积累仅是量变，方法的突破才是质变。授人以鱼不如授人以渔，教给学生科学研究的方法和创新的方法是至关重要的。

③要善于抓住关键问题。对于SLM制造系统所采用的金属粉末，我国仅能制造最简单同时也是最便宜的碳素钢粉末，且目前SLM制造系统的核心零件——光纤激光器还受制于人，这是我国从事相关领域研究的科研人员应该抓住和解决的关键问题。

参考文献：

[1]吴元樑.科学方法论基础[M].增补本.北京：中国社会科学出版社，2008.

[2]E. Bright Wilson. An introduction to scientific research[M].上海：上海科学技术文献出版社，1988.