基于增材制造技术的数字化制造教学改革与实践

王叶松?方喜峰

摘要：传统机械制造实践教学以轴类、箱体类加工制造为主，无法适应“新工科”背景下国家对复合型人才的需求。基于“互联网技术+反求工程技术+3D打印+虚实结合技术”，建立了复杂零件数字化制造的创新实践课程，探究了教育数字化建设过程中教与学的模式创新问题。以设计周期长、加工难度大的复杂曲面叶轮为授课对象，开展了数字化制造的实验教学内容。通过课程目标达成度和课程质量评价问卷结果分析，表明数字化教学改革取得了预期效果。

关键词：3D打印；数字化制造；教学改革

一、前言

近年来财政部、国家发改委、教育部多次召开“双一流”建设推进会，提出要深入实施教学数字化战略行动，促进我国高等教育理念变革、思想变革、方法变革、实践变革，形成教育与科研的中国新模式。在教育数字化转型背景下，高校课程建设需强化信息化、智能化技术与高等教育深度融合，解决好教与学模式创新问题[1]。

刘基盛等人基于“三位一体”数字制造实验平台为企事业单位和高等院校的教育数字化转型提供了理论基础和建设方案，有助于机械设计与制造行业创新复合型人才的培养。Corinna Engelhardt-Nowitzki 等人通过数字化工厂形象生动讲授了机器人技术和智能制造技术的跨学科实践教学案例[2]。

目前数字化制造实践课程的建设仍处于起步探索阶段，传统机械制造实践教学以轴类、箱体类加工制造为主，无法适应“新工科”背景下国家对复合型人才的需求，距教育数字化转型的目标差距较大，对传统的机械制造实践教学进行数字化改革具有重要意义。

二、数字化制造技术与教学方法

机械制造类实践是工科院校必修课，以简单零件的设计加工制造为主构建的传统课程知识体系已不能适应教育数字化转型需求。为增强课程深度、改善教学质量、实施先进的数字化制造技术，引入重大工程应用背景的复杂零件为授课对象，如广泛应用于航空航天、能源和国防工业的航空结构件、燃气轮机叶片、船舶螺旋桨等，这些产品直接关系到国民经济和国防安全，反映了国家重大战略需求，其制造水平体现了国家制造业的核心竞争力。

（一）复杂零件数字化制造课程内容

复杂零件具有表面不规则、精度要求高、制造难度大等特点，为了实现复杂零件的加工制造，需采用先进的数字化制造技术[3]。基于“互联网技术+反求工程技术+3D打印+虚实结合技术”，建立了复杂零件的数字化制造实践课程，构建了创新实践教学的知识体系架构，如图1所示，培养新工科背景下的高素质创新型人才。

（二）复杂零件数字化制造实践教学实施模式

基于国际主流的OBE教育改革理念和CDIO教学模式，开展复杂零件数字化制造创新实践教学构思、设计、实施和运行4个环节，如图2所示[4]。

三、数字化制造实践平台

为了顺利开展复杂零件的数字化制造实践课程，利用“互联网技术+反求工程技术+3D打印+虚实结合技术”，构建了数字化制造实践教学平台。

反求工程技术实践平台包括三维激光扫描仪（见表1）、三维点云优化软件Geomagic Design 和三维设计软件UG等[5]。

如图3所示，先利用UG等制图软件建立加工零件的实体模型，导出STL或OBJ格式3D打印模型，将其导入切片软件，设置工艺参数，生成可执行的G代码，将代码导入软件进行模拟加工，确认加工轨迹无误后可进行现场加工[6]。虚实结合实践教学平台的建立减少了资金成本，解决了台套数不足、学生操作时间受限等问题，同时保证了人身和机器的安全，实现了绿色制造，激发了学生探索意识和实际动手能力，有利于高校数字化制造的人才培养。

四、教学案例及课程评价

（一）三维实物扫描及逆向设计

首先，基于反求工程技术，采用三维扫描仪对燃料电池实物叶轮进行扫描获取点云数据。其次，利用Geomagic Design X进行优化处理得到数字化模型，主要包括数据精简、点云去噪、数据封装、填补缺少孔、去除特征、砂纸打磨、曲面生成等步骤，得到数字化三维教学模型[7]。

（二）3D数控打印

将得到的绿色数字化模型导入NX等建模软件进行正向建模，然后导出为STL格式模型，将STL模型导入切片软件，基于打印工艺设定打印温度、打印速度、打印层高等参数，生成复杂叶轮的3D打印轨迹并生成打印G代码，如图4所示。

（三） 应用效果及评价

采用了无记名评价问卷方式对课程质量进行评价，内容主要包括五项评价标准：学生学习指导、学生学习态度与方法、教师授课、目标达成情况，教学改革与学生期许，如图5（a）所示。培养目标如图5（b）所示。

五、结语

基于增材制造技术开展的数字化制造教学改革，取得了一定成果。学生理解和掌握了复杂零件数字化制造的新理论、新方法、新技术和新工艺，有效发挥了实践教学在培养学生实践和科学创新能力中的作用。数字化制造实践教学平台可为高校师生提供创意、创新、创业的数字化创新设计服务，目前已经应用到学生科技创新竞赛，指导本科生、研究生完成毕业课题等教学、科研、实验工作中。

参考文献

[1]兰万里，范凡.“十四五”期间高校数字化建设——以北京化工大学数字化建设为例[J].信息系统工程，2023（11）：97-100.

[2]刘基盛，谭自强，李威，等.“三位一体”数字化制造实验平台设计与研究[J].制造技术与机床，2023（03）：94-100.

[3]韩筠.“互联网+”时代教与学的新发展[J].中国大学教学，2019（12）：4-7.

[4]王晓莹.基于OBE理念的“嵌入式系统设计”课程教学改革研究 [J].信息系统工程，2023（12）：173-6.

[5]李峰，孙广通，刘文龙，等.适应创新人才培养的三维激光实验教学模式探究[J].实验室研究与探索，2019，38（04）：188-92.

[6]刘基盛，王叶松，李威，等.连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析[J].制造技术与机床，2023，（04）：56-63.

[7]刘基盛，计良，李威，等.基于FFD方法的离心压气机叶片优化设计与试驗[J].排灌机械工程学报，2023，41（04）：354-62.

基金项目：1.江苏省教育科学“十四五”规划课题项目（项目编号：D/2021/01/102）；2.江苏科技大学2023年度研究生教育教学改革研究课题重点项目（项目编号：YJG2023Z_01）

作者单位：江苏科技大学机械工程学院

责任编辑：王颖振、周航