增材制造技术在智能制造专业教学环节中的应用思考

钱波 樊红日

摘 要：当前中国智能制造产业正处在新一轮技术革命周期的起点上，高校机械工程智能制造专业教学需主动面向该行业和领域关键技术开展理论知识和实践环节的培养。增材制造技术作为新一代先进制造技术，在生物工程、医学工程、航空航天、汽车模具、新材料研制等领域得到广泛应用。面对智能制造专业跨学科实践教学要求，将增材制造技术与原理融入并应用到智能制造专业实践教学环节中，需遵循教学规律、发挥技术优势、通过多种渠道和方法进行积极探索、以创新实践和技术应用为抓手，整体提升智能制造专业人才培养效果和教学水平。

关键词：增材制造;智能制造;专业教学;先进制造;实践教学

目前世界各工业强国都将目光投向了下一代生产制造模式——智能制造，在新经济工业时代，智能制造必将成为未来主要的一种生产模式[1]。因此对于智能制造专业的培养和教学的目标有必要进行系统的规划和梳理，该专业主要学习智能制造技术与智能制造系统的基础理论与专业知识，特别是基于5G、VR/AR、AI、机器人为代表的新兴技术发展方向，智能制造专业与之结合可显著提升制造的智能化程度，实现自动化智能化绿色高效生产[3]。

目前中国作为世界新的制造中心，正在从制造大国走向制造强国，亟需智能制造工程相关的专业技术人才[4]。为了抓住这一重大历史机遇，我国提出了“中国制造2025”计划，重点发展智能制造技术，重塑我国制造业新优势[2]。主要培养具有智能制造领域交叉学科背景的系统级人才，具备从事智能制造系统架构设计、应用研究、运行管理等方面工作的能力。由于增材制造技术集材料科学、机械工程、信息技术、化学科学等多学科领域知识于一体，其专业知识涵盖光学、热力学、化学、电磁学、软件与算法编程等诸多方面，可作为智能制造专业的坚实载体开展基础理论和实践环节的教学培养。

充分利用当前较为成熟的三类增材制造工艺：金属材料增材制造工艺（包括选择性激光熔化增材制造、激光净近成形增材制造、激光熔覆增材制造）、高分子材料增材制造工艺（包括选择性激光烧结、多射流熔融喷射、三维喷印成型）、树脂材料增材制造工艺（包括激光立体光刻SLA、数字光照处理DLP，连续界面液体制造CLIP），结合三维逆向扫描技术，让学生充分参与应用这三类制造工艺，完成从概念提出-模型设计-材料选择-工艺拟定-制造监控-性能分析-功能验证等整个环节。通过设计多种开放性实验、探索性实验，提出创新思路，利用增材制造技术结合声-光-电-磁新型应用场景，重复考虑工艺性，满足不断迭代、不断完善、不断改进的制造目标，发挥增材制造具有快速设计、快速迭代、快速应用、柔性制造的优势。结合机器学习、图像识别等进化算法，引导学生使用该技术参加科创比赛，提高该专业学生的创新和实践能力。

2.1 基础知识普及

基础知识通过增材制造课程教学，使学生了解什么是增材制造技术、增材制造技术的原理和工艺，了解增材制造的装备与工艺过程的控制、分析，增材制造设备各个功能模块的组成部分和工作原理，增材制造零件性能的分析、检测，具备初步的增材制造技术的应用能力;同时对国内外有關的新知识、新材料、新技术和新工艺等有较全面的了解。采用启法式教学，重点加强对增材制造成型与制造中各知识点的理解、体会和认识，并通过课堂教学与实验教学的有机结合，使学生系统的掌握增材成型与智能制造工艺的基本原理和基本知识。

特别是结合机器学习、人工智能、神经网络等智能方法和算法应用在增材制造的拓扑优化、工艺智能规划、过程监测、闭环反馈、性能强化等过程环节中，提升增材制造产品的性能和精度，实现更柔性更高效的功能应用。

2.2 实践应用引导

以开放实验为引导，结合行业应用背景，增加反映增材制造领域研究前沿的实验内容，增设综合性、设计性、创新性实验，培养与锻炼学生的科研能力及创新能力。例如关于模型拓扑优化上，可采用工业设计软件与拓扑优化算法相结合的方法来实现模型轻量化设计目标;在燃油喷嘴打印案例中，让学生系统了解到高温合金材料性能特点、航空发动机结构特点、金属3D打印工艺特点和制造标准;在头盖骨打印和医学示范中，让学生系统了解到树脂材料的增材制造原理，并讲解其在医学术前模拟训练中的应用价值，提高医学手术的精准性和预判性;在合金钢材料的模具打印与试制中，可让学生了解到工业模具的设计、快速试制与快速验证等行业知识，并在注塑机上进行试用，得到塑料制品和功能零件。

总之，通过实践应用环节的指导和培养，可让学生进一步掌握和了解智能制造在工业行业中的应用前景和应用范围，提升学生对本专业的兴趣。

2.3个性化培养提高

利用增材制造技术载体，面向智能制造专业知识内涵，学生可根据自己兴趣和爱好通过多个环节不同任务目标进行个性化知识的理解、培养和提高。首先，对标智能制造数字化设计与制造范畴，学生可根据自身能力开展面向增材制造的数字化设计、柔性设计、功能设计、概念设计等并利用SLA、3DP、FDM等3D打印方法进行快速打印，验证反馈设计的优劣和功效。其次，对标人工智能范畴，学生可针对当前增材制造工艺的难点和关键点，开发机器学习算法、神经网络算法来快速拟定、实时优化增材制造工艺，解决SLS、SLM等3D打印工艺的工艺优化和工艺适应性问题。再者，对标大数据和智能监控知识范畴，学生可针对当前增材制造工艺普遍缺乏数据库问题，开发应用过程数据储存、大数据分析、数据互联互通等软件和技术，解决增材制造工艺的监测和优化问题。最后，对标智能运维管理知识范畴，学生可针对集群化增材制造设备、增材制造车间和增材制造工厂，学习开发增材制造云工厂平台，最大程度实现增材制造的智能化生产。

2.4 科技竞赛强化

通过上述实践环节的训练，可通过以赛促练、以赛促训，选拔部分基础较好的学生参加多种形式的科技竞赛，比如挑战杯、大学生机械设计创新大赛、大学生创新创业大赛、互联网+大赛等，让学生利用增材制造的相关知识，设计、制造轻量化结构，利用增材制造具有快速制造和产品快速改进的技术特点，在短时间内完成全部设计和制作任务。比如，可利用FDM打印工艺打印碳纤维模型零件组装轻量化履带车，实现整车重量降低提高车身刚度和强度;利用3DP技术打印碳-碳复合材料结构实现高效防热目的，实现柔性结构和防热结构的有机统一等等。总之发挥增材制造的柔性制造和一体化功能制造优势，面向多种应用场景和目标，可在轻量化结构、高效传热结构、隐身结构、电磁屏蔽结构、一体化功能结构等多个方面产生显著的应用效果，这些成果都可以用以参加各种不同形式的竞赛。

三 结束语

把增材制造技术应用于智能制造专业的理论教学和实践教学中，从实践效果来看，加深了学生对智能制造领域技术的理解和认识，学生通过学习增材制造技术，掌握了增材制造技术的基本原理，还充分认识了增材制造的优点及应用领域。

参考文献：

[1] 周济. 智能制造——"中国制造2025"的主攻方向[J]. 中国机械工程， 2015（17）：2273-2284.

[2] 路甬祥. 走向绿色和智能制造（一）——中国制造发展之路[J]. 电气制造， 2010（4）：14-18.