3D打印技術(shù)在控制工程實踐教學(xué)中應(yīng)用

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【摘要】隨著3d打印技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，3D打印技術(shù)已逐漸進入了教育領(lǐng)域。基于3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文從材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)的特點及傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性出發(fā)，分析3D打印技術(shù)在材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)勢，開展3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)中的初步實施與探索。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù)；材料成型及控制工程；實踐教學(xué)

早在1998年，已有高等院校設(shè)立了材料成型及控制工程專業(yè)，鑄造專業(yè)、焊接專業(yè)以及鍛壓專業(yè)是專業(yè)基礎(chǔ)，涵蓋了鑄、鍛、焊等三個熱加工方向。目前全國有100多所高校開設(shè)有材料成型及控制工程專業(yè)，該專業(yè)涉及了材料類學(xué)科、機械類學(xué)科以及自動化類學(xué)科等相關(guān)的專業(yè)知識內(nèi)容，就業(yè)范圍涉及產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計、銷售管理、售后服務(wù)等制造行業(yè)，具有應(yīng)用性和實踐性強的顯著特點。因此，材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)是材料成型及控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)中重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。目前3D打印技術(shù)日臻成熟，從兒童玩具到陶瓷制品再到工業(yè)產(chǎn)品甚至建筑業(yè)住房等都能看到3D打印制品的身影，3D打印涉及了產(chǎn)品模擬設(shè)計、材料設(shè)計、性能匹配以及精密成型等多個方面，是通過自動化成型制造實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的新技術(shù)且具有廣泛的應(yīng)用。認識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計是材料成型及控制工程專業(yè)重要的實踐環(huán)節(jié)[1]。因此，將3D打印技術(shù)融入到材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)中的重要實踐環(huán)節(jié)，為實現(xiàn)可視化的模擬設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)以及工藝設(shè)計提供了有效途徑，不僅有利于學(xué)生設(shè)計水平的提升，也有利于培養(yǎng)其實踐能力。本文基于3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)的特點，分析材料成型及控制工程專業(yè)傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性，闡述3D打印技術(shù)在材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)勢，并初步實施與探索3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)中應(yīng)用。

13D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀概述

2015年，我國推出了“中國制造2025”，制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程是五大工程之一，而3D打?。ㄔ霾闹圃欤┚褪瞧渲袆?chuàng)新發(fā)展的重大共性需求之一。3D打印思想起源于美國，隨后美國、德國、瑞典、以色列等國家在打印設(shè)備、打印材料以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域開展了研究并取得階段性成果，而我國在20世紀(jì)90年代才逐步開展3D打印技術(shù)的研究，目前已達到了工業(yè)生產(chǎn)水平[2]。3D打印技術(shù)在制造業(yè)具有明顯的優(yōu)勢：（1）快速整體數(shù)字化制造，提高生產(chǎn)效率；（2）縮短研發(fā)周期，加快生產(chǎn)進度；（3）環(huán)保高效節(jié)材制造，提高材料的利用率；（4）個性化定制制造，深度拓展設(shè)計空間[3]；（5）與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，提高制造業(yè)生產(chǎn)效率。3D打印技術(shù)仍存在不足之處：（1）高質(zhì)量3D打印材料昂貴，一定程度上限制了3D打印技術(shù)的發(fā)展；（2）3D打印產(chǎn)品材料-組織-性能的一致性仍待進一步研究；（3）3D打印產(chǎn)品受打印設(shè)備的限制，批量化量產(chǎn)仍存在一定難度。

23D打印技術(shù)在材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

目前3D打?。ㄔ霾闹圃欤┮呀?jīng)成為快速發(fā)展的行業(yè)新方向，3D打?。ㄔ霾闹圃欤┰阼T造行業(yè)和模具行業(yè)以及焊接行業(yè)都有重要應(yīng)用價值[2]，值得注意的是這些行業(yè)正是材料成型與控制工程專業(yè)中重要的傳統(tǒng)方向。如：復(fù)雜模具的設(shè)計及生產(chǎn)、復(fù)雜薄壁鑄件的工藝設(shè)計及生產(chǎn)、增材制造蠟?zāi)５?。目前我國對具?D打印技術(shù)背景的應(yīng)用型人才的認識和培養(yǎng)仍處于萌芽狀態(tài)[2]，從而造成3D打印應(yīng)用型技術(shù)人才緊缺[3]。因此，將3D打印技術(shù)引入到材料成型及控制工程專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅符合了行業(yè)發(fā)展對材料成型及控制工程專業(yè)發(fā)展的新要求，而且也滿足了行業(yè)對3D打印技術(shù)背景的應(yīng)用型人才的需求。

2.1實踐教學(xué)的特點及傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性

材料成型及控制工程專業(yè)屬于“寬口徑，厚基礎(chǔ)”的專業(yè)，而隨著制造業(yè)向自動化、高端化、智能化方向發(fā)展，專業(yè)的發(fā)展需要與企業(yè)的需求接軌，焊接自動化、鑄造充型模擬以及精密成型甚至智能化制造都對傳統(tǒng)專業(yè)提出了更高的要求，更注重專業(yè)知識“寬”的方面，體現(xiàn)了專業(yè)的交叉融合和寬度。此外，專業(yè)方向中的鑄造、焊接、鍛壓等傳統(tǒng)專業(yè)方向也注重“厚”的方面，重視專業(yè)知識和技能的積淀，體現(xiàn)了該專業(yè)的厚重和深度。因此，在這種專業(yè)特色培養(yǎng)下，實踐教學(xué)也應(yīng)呈現(xiàn)出“寬口徑，厚基礎(chǔ)”的特征。而傳統(tǒng)實踐教學(xué)的存在一定的局限性：（1）實踐教學(xué)設(shè)備和實踐教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)需求存在一定差異，無法緊跟企業(yè)快速發(fā)展步伐；（2）實踐教學(xué)和理論教學(xué)存在脫節(jié)現(xiàn)象，同時實踐教學(xué)監(jiān)督機制不健全；（3）校外實習(xí)基地以傳統(tǒng)制造業(yè)為主，需要加快建立新興制造業(yè)實習(xí)基地。

2.23D打印在實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)，基于建模模型，通過逐層打印的方式快速有效簡化地生產(chǎn)單個產(chǎn)品，尤其在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)制造等高端技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用和發(fā)展前景[4]。在材料成型及控制工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)、課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計的實踐教學(xué)中[4]，存在許多模具設(shè)計、零件裝配圖以及三維裝配圖等設(shè)計環(huán)節(jié)，并在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中可視化演示實踐教學(xué)的結(jié)果是實踐教學(xué)應(yīng)關(guān)注的焦點，恰恰3D打印技術(shù)能夠滿足該實踐教學(xué)效果[5]。3D打印在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢：（1）3D打印能夠制造教具和教學(xué)模型，實物教學(xué)使學(xué)生能夠加強對教學(xué)內(nèi)容的認知和理解；（2）3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)課程設(shè)計中裝配圖成型，直觀再現(xiàn)設(shè)計存在問題和不足之處，驗證設(shè)計可行性和結(jié)果；（3）在3D打印技術(shù)相關(guān)企業(yè)建立校外實習(xí)基地，為學(xué)生提供更廣闊的實習(xí)平臺；（4）能夠積極鼓勵學(xué)生采用3D打印技術(shù)自主設(shè)計制備零件，參加相關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的大賽。通過3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，不僅能夠提高實踐能力，而且能夠拓展專業(yè)視野和專業(yè)知識，使學(xué)生加深理解課堂教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)的理論知識，更好地掌握3D打印技術(shù)的相關(guān)知識。

2.33D打印技術(shù)在實踐教學(xué)中初步實施與探索

基于實踐教學(xué)的特點與傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性及3D打印在實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，將3D打印技術(shù)植入到實踐教學(xué)過程中開展具體方案初步實施與探索。（1）考察實力雄厚的3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和3D打印技術(shù)應(yīng)用企業(yè)，建立校外實習(xí)基地，選派青年骨干教師到3D打印企業(yè)掛職鍛煉培養(yǎng)“雙師型”教師，聘請企業(yè)優(yōu)秀工程師擔(dān)任外聘教師參與實踐教學(xué)活動。（2）在本科畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計類本科畢業(yè)設(shè)計的最終零件三維工藝圖需用3D打印出的實物驗證設(shè)計的合理性，在論文類本科畢業(yè)設(shè)計不僅需要企業(yè)工程師擔(dān)任第二導(dǎo)師，而且參與平時學(xué)生的任務(wù)書、開題報告、中期檢查以及答辯的各個環(huán)節(jié)。（3）在生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)，不僅帶領(lǐng)學(xué)生進入3D打印企業(yè)生產(chǎn)一線參觀，而且指導(dǎo)學(xué)生參與到3D打印生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場問題并解決問題，提高創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。（4）在課程實踐環(huán)節(jié)，邀請外聘教師進入實踐教學(xué)課堂并參與實踐教學(xué)的相關(guān)教材編寫，將企業(yè)最新的設(shè)備和相關(guān)技術(shù)引入課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。（5）與企業(yè)共建3D打印實驗平臺，骨干教師全程參與設(shè)備的安裝調(diào)試過程并參加企業(yè)的3D打印技術(shù)培訓(xùn)，熟練掌握3D打印設(shè)備操作和技術(shù)。圖1是Roclok系列桌面級FDM3D打印設(shè)備，能夠制備塑料的模型和零件，耗材主要是絲材高分子材料；圖2是陶瓷3D打印設(shè)備，可以制備陶瓷工藝品和模型，耗材主要是陶瓷；圖3是金屬材料3D打印設(shè)備，采用選區(qū)性激光熔化技術(shù)制備金屬零件或模型，耗材主要是金屬粉末，如：316L不銹鋼粉末?；谝陨?D打印設(shè)備，結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)的專業(yè)特點，不斷優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容，提升實踐教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

3結(jié)語

隨著3D打印技術(shù)的日臻成熟，3D打印技術(shù)已在教育領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；?D打印技術(shù)概述和應(yīng)用特點，結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)的特點并分析傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性，研究3D打印技術(shù)在材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)勢，分析并總結(jié)3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)中的初步實施與探索結(jié)果。

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作者:柳翊 郭玉波 石磊 林海燕 金文中 賈利曉 單位:洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院