增材制造技术在新工科教学中的探索与应用研究

李鹏飞 杨超君 周建忠

摘 要：本文介绍了增材制造的加工过程，结合试验加工分析不同的加工方式、加工材料、加工机理和加工过程。将增材制造技术引入新工科大学生的实践和教学中，利用学院提供的平台，通过课程设计、毕业设计以及各类创新创业赛事，让学生将增材制造与其他课程融会贯通，掌握其中的原理和方法。充分发挥学生的创造活力，提高新工科大学生的实践能力，培养科技创新意识和创新性能力，在实际教学中取得良好的效果。

关键词：增材制造; 新工科; 实践教学; 创新创业

中图分类号：G642        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）12-129-002

1.引言

随着科学技术的进步与发展，增材制造越来越多的应用于各行各业中，不仅包括民生的医疗、建筑、艺术，而且在工业产业化领域的汽车轻量化和模具制造等领域应用广泛，另外，在航空航天、核电、船舶等高端装备制造领域崭露头角[1]。《中国制造2025》中明确指出，要加快增材制造技术以及高端装备的研发，十四五发展规划中增材制造也占有极为重要的地位。因此，作为培养能够适应于未来科技发展领域的科技人才，高校也要积极开设增材制造相关课程，进行相关科学研究和专业教学的发展改革。

增材制造技术不同于传统的车、铣、刨、磨等通过去除材料的加工，而是利用离散化思想，堆积制造，是一种由三维数据直接驱动的零件制造科学技术。增材制造有不同的分类，包括定向能量沉积、激光选区熔化、光固化技术、熔融挤压技术等，并且随着技术的进步，新的增材制造工艺也会逐渐产生。通常增材制造不需要传统加工的刀具和夹具，可以在一台机床上从无到有的制造出零件，并且可以实现任意复杂曲面的加工，解决了复杂结构零件成形困难、工序复杂的问题，同时还能够大幅缩短生产周期，在机械零件的加工中扮演着越来越重要的角色[2]。

在本科院校中，无论是材料加工专业，还是机械专业，包括其他的工科专业，都可以开设增材制造的相关课程，可以根据工程应用的需求，设计对应形状的零件，采用增材制造方式加工。另外，针对艺术等文科专业，增材制造仍然是一门极具价值的课程，可以发挥学生的想象力，设计不同形状、色彩搭配的艺术品，然后通过增材制造的方式加工，在参加大学生创新大赛等赛事中作为创意的实际展现，具有极高的价值。增材制造技术是一门涉及多学科、多技术的，相对传统铣削减材的新技术。作为新时代的教师，尤其是新工科的教师，掌握增材制造这一前沿技术，结合自身的理解，为学生讲解增材制造发展趋势，并融入教学当中，能够显著激发学生的上课积极性，促进教学质量的提升[3]。

在新工科专业教学中，通过增材制造的学习，可以了解到相关材料的制备、加工方法的对比分析，深入明晰增材制造与传统加工在能耗、加工周期、精度等的差异，对比学习也能够使教学课堂更加生动，让学生自行设计三维结构零件，提高对增材制造的认识和理解。将增材制造与其他相关科目结合，可以提升学生创新能力，激发学生学习的积极性和乐趣，培养出紧跟先进制造的专业化人才。本文旨在探讨增材制造在新工科中的教学改革和应用。

2.增材制造教学试验

2.1教学用增材制造分类

通常在教学过程中很少采用金属增材制造的方式，一方面由于其价格昂贵，另一方面加工困难，高温易出现意外，所以多数采用高分子塑料等低熔点、易加工材料。主要分为以下五种：光固化成形（SLA）;叠层实体制造（LOM）;熔融沉积制造（FDM）;选择性激光烧结（SLS）;三维印刷成形（3DP）。无论采用何种加工方式，根本的原理均是将三维零件进行切片分层，在每层中设定加工的路径轨迹，分别获得每层的加工后，层层叠加即可获得最终所需要的零件。而从实际教学出发，综合考虑试验效果、噪音、污染等方面因素，多数高校均采用熔融沉积制造进行教学研究。

2.2教学试验加工材料

目前，针对熔融沉积制造最方面的是高分子材料，包括ABS塑料、PLA塑料、尼龙、聚碳酸酯等，他们都具有较高的硬度、任性和较好的塑性。在这些材料中，PLA材料由于其热变形小、成型后稳定性高、已加工等优点，并且对环境污染小，无毒可降解，所以，教学过程中最合适材料为PLA塑料。

2.3熔融沉积制造加工原理

在工控机发出加工指令后，步进电机开始工作，带动螺杆旋转，驱动齿轮带动PLA丝料的进给;同时，由于电热棒的加热作用，会在丝料从喷嘴送出之后迅速熔化;由于丝料连续进给，并且不断熔化沉积，冷却后形成具有一定高度的实体零件;通过控制工作台的Z方向移动，可以实现不同分层的加工制造;通过控制工作台在X/Y方向的移动，可以实现在层内不同位置的加工制造;通常PLA熔融沉积制造的层高约为0.1mm～0.2mm，每次工作台Z向移动对应高度，可以完成整个零件的增材成形加工。

2.4增材制造技術加工过程分析

增材制造包括三维造型、前处理、打印成形、后处理等4个阶段。（1）三维造型阶段。在这一阶段分为两种设计方式，包括正向设计和逆向设计。正向设计指的是通过二维或三维绘图软件设计所需要的加工的零件尺寸和形状;相反，逆向设计指的是已经具有实体零件的前提下，通过高精度尺寸测量的方式，获得大量的三维点云，然后利用数据处理，获得所需要的零件尺寸形状。（2）前处理阶段。无论是通过正向设计，还是逆向设计，在得到三维形状后，均需要通过三维切片的方式将零件划分为一层层的结构，并转化为STL格式文件。然后将其转化为打印机可识别的路径文件。将规划好的STL格式文件导入软件中，进行简单的模拟加工，评估加工时间和支撑。不同的加工参数最终得到的精度是不同的，甚至会出现塌陷等问题，因此，需要根据不同的零件对加工参数进行微量调整。（3）打印成形阶段。在已经导入各层路径文件的时候，启动增材制造设备加工运行，逐层打印，最终累加成形。（4）后处理阶段。由于增材制造的零件表面质量较差，部分零件还存在支撑，需要对加工零件进行打磨、抛光、去支撑等。

3.增材制造在新工科中的应用

在新工科的教学中加入增材制造的相关课程具有非常多的优势，不仅可以显著激发学生的学习兴趣和热情，而且能够提高学生的创造性和动手加工能力，促进新时代教学的发展，提高对学生能力的培养，符合全面培养能力，实现教学改革的目的。而增材制造这一课程的开设还能够丰富现有的培养体系，而熔融沉积制造设备的采购能够为学生参加大学生创新创业大赛等多种赛事提供平台，为学校培养特殊才能的专业化人才提供支持和保障[5]。

3.1支持新工科专业课程群建设

增材制造的学习涉及到学生早期学习的公共课与专业基础课等，比如理论力学、电工电子技术和高等数学的微元法思想等，都为增材制造课程的发展提供了相应的技术支撑。在学习完增材制造之后，又反过来为新工科专业课奠定坚实的基础，比如液压与气压传动、机械原理、机械设计等，在这些课程中，学生可以自由设计所需要的学习零件，通过三维建模，打印的方式将零件加工出来，扩大了课堂教学的趣味性，从而提高教学质量，实现教学的跨越式发展。

在《机械原理及设计》课程中，涉及到许许多多的螺栓连接、轴承、齿轮等，通过增材制造将对应的典型零件加工出来，让学生明白其中的加工方式，并且结合传统铣削加工，从几何角度判断是否会出现干涉等，为实际零件的机械加工提供直观的感受和学习氛围，为复杂结构零件的分析和讲解打下基础。

在《液压与气压传动》课程中，可以通过增材制造快速设计加工中对应的液压气压元件，通过剖切方式让学习明白其中的内部构造，进而了解运行的工作原理，为后续回路分析的学习打下基础。

在《工程材料及其成型技术》学习中，由于涉及到多种材料成形方式，尤其是通常难以见到的铸造和锻造，如何设计模具，又如何利用增材制造的方式为这种加工方式提供便利性，使学生深入理解不同复杂模具结构设计和加工过程，为后续的课程设计和毕业设计奠定基础。

增材制造在新工科专业学习过程中最大的优势是可以快速的设计和加工出所设计的零件，及时更新过时陈旧的零件，对结构的设计自由度更高，也可以激发学生参与设计的热情，开发新的教学模具，促进新工科专业课程设计改革和发展，提高教学质量。

3.2支持大学生各类创新创业赛事

增材制造课程非常有助于大学生参加多种多样的创新创业大赛，有效地解决了设计后难以加工展示的问题。而创新设计大赛、建模大赛和工程训练大赛等也随着实物展示更加丰富多彩。其中，全国三维数字化大赛有专门的增材制造或3D打印专项赛，而参加此类赛事可以激发学生发挥主观能动性和想象力，大幅缩短了从设计理念到实物成形的周期，激发创新创造活力[6]。

我院和工业中心联合为大学生提供增材制造的平台，鼓励学生参加各类比赛，在场地、经费、导师指导等方面支持力度显著，快速设计产品，大幅缩短了设计零件的制造周期。

3.3丰富新工科专业课程体系

增材制造能够扩大加工教学的课程体系，在讲解传统车削、铣削、磨削等减材加工的基础上，对比性讲解增材制造的加工方式，另外，还可以对等材铸造或锻造做对比分析，从成形机理、加工方案、零件性能等角度对比不同加工方式下的差异。并且根据我院校新工科不同专业培养学生，使其具有选择不同加工工艺、多样化解决问题的能力，而增材制造技术是满足这一要求的最为合适的方法之一。

根据现有的新工科培养方案，已有许多课程与增材制造紧密相关，包括《工程图学》《机械原理及设计》《材料成形技术》和《机械制造基础》等，为满足更高的能力培养要求和专业化人才需求，应当设置增材制造课程，与其他課程共同作用，进一步完善新工科的专业课程体系。

4.总结

任何时期的教育都应该结合时代的发展和需求，而新工科背景下教学应该着力激发大学生的创新活力。在高等院校中增加增材制造课程，符合当前院校的人才培养目标。并且增材制造技术有助于丰富课程体系，为其他课程的讲解提供直观的认识和理解，提高专业课程教学质量，为学生创新能力的提升提供保障，同时也为本科型新工科专业人才培养目标的实现提供支撑。

此文由2019年国家重点研发计划，项目名称：典型材料零件清洁切削试验验证与评价，项目编号：2019YFB2005401;2018年国家自然科学基金面上项目，航空发动机单晶零件磨削加工工艺理论与技术基础研究，项目编号：51775100;2018年教育部中央高校基本科研专项，增减材复合加工工艺机理与质量控制研究，项目负责人：李鹏飞，项目编号：N170306003

参考文献：

[1]卢秉恒.增材制造技术——现状与未来[J]中国机械工程，2020，31（01）：19-23

[2]刘继红，许文婷，敬石开.面向增材制造的正向产品建模技术[J]中国科学：信息科学，2015，45（02）：181-196

[3]张永弟，杨光.增材制造技术在工科大学生实践教学中的应用[J]教育现代化，2018，5（04）：139-140+153

[4]俞彦勤，王新云，樊自田.增材制造综合教学实验研究[J]实验技术与管理，2019，36（09）：164-168

[5]马志林，高梦迪，王庆阳，刘燕，李明.增材制造技术在应用型本科院校机械专业教学中的应用[J]湖北开放职业学院学报，2020，33（18）：144-146

[6]杨润怀，陈月明，高天昀，缪安琦.基于增材制造技术的创新型医学传感器实验教学探索[J]科教文汇（上旬刊），2018（01）：70-72