SLM工藝試驗中的問題意識與科學方法論

刁生富　陳向陽

摘 要：本文以翹曲問題為例，分析激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）工藝試驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法論，進而說明科學研究中問題意識和科學方法論的重要性。通過本文的研究可以得到以下啟示：科學研究和人才培養(yǎng)要有問題意識、要善于提出問題；要重視方法論教育；要善于抓住和解決關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：科學研究；問題意識；科學方法論

中圖分類號：N031 文獻標識碼：A 文章編號：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，F(xiàn)oshan Guangdong 52800；2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Foshan University，F(xiàn)oshan 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

馬克思主義哲學告訴我們，認識是一種能動的反映，是人腦在同外界相互作用的過程中產(chǎn)生和發(fā)展的。科學研究的直接目的是認識世界，其要求發(fā)現(xiàn)、認識和掌握對象的特點和規(guī)律。本文以翹曲問題為例，分析SLM工藝試驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法論，進而說明科學研究中問題意識和科學方法論的重要性。

1 翹曲問題的提出

科學研究的第一步就是提出問題，而問題的提出是建立在對相關(guān)研究課題的了解和初步探究的基礎(chǔ)之上的。激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）是一種起源于20世紀80年代的先進的制造技術(shù)，其是目前可以直接成型零件的最佳工藝之一，屬于增材制造（也稱3D打印）技術(shù)[1]。

SLM制造系統(tǒng)主要包括激光系統(tǒng)、計算機、鏡片-伺服馬達系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和保護氣控制系統(tǒng)等。其中，最重要的是激光系統(tǒng)和鋪粉系統(tǒng)。目前，大部分SLM制造系統(tǒng)采用光纖激光，國內(nèi)基本依靠進口獲得高性能激光器，而鋪粉系統(tǒng)決定了后期零件的最下層數(shù)和表面質(zhì)量。

在進行SLM制造系統(tǒng)的工藝改進時，發(fā)現(xiàn)成型的零件普遍存在不同程度的邊緣翹曲和整體翹曲，具體表現(xiàn)在零件和基板接觸的邊界及長條形零件的整體彎曲。要知道，SLM技術(shù)是可以直接成型零件且該零件可以直接使用的，翹曲問題的出現(xiàn)導致成型零件不能較好地滿足制造要求，甚至導致制造失敗，即產(chǎn)生廢品。對于某些比較貴重的材料而言，加工失敗往往意味著巨大的損失。因為目前普遍采用的316L不銹鋼粉末在國內(nèi)不能制造，只能完全依賴進口，價格十分昂貴，更不用說可以用于制造航空發(fā)動機的鈦合金粉末了。

2 翹曲問題的分析

首先，研究課題確定時的預案和分析。確定研究課題是我們進行實驗及后續(xù)實驗數(shù)據(jù)分析的第一步，也是發(fā)現(xiàn)翹曲問題所應該回溯的第一步。

其次，嚴格按照研究課題確定的內(nèi)容進行實驗設(shè)計和分析。由于很多實驗中出現(xiàn)的錯誤是由實驗人員不嚴格遵守實驗流程造成的，因此，應該特別注意對實驗人員技能要求和相關(guān)職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]。

最后，也是最關(guān)鍵的一點，科學方法論的運用。科學方法論設(shè)計的具體思想較多，這里分析以下三方面。

第一，歸納和演繹的方法。歸納是從特殊事實中概括一般規(guī)律的推理形式和思維方法。演繹是從一般到個別，是根據(jù)一類事物的一般性質(zhì)來推斷該類中個別事物所具有的性質(zhì)。歸納和演繹是邏輯學中經(jīng)典的分析方法，可以幫助我們進行大部分的實驗分析。

第二，分析和綜合的方法。從本質(zhì)上來說，分析就是從一個現(xiàn)象層層剖析直達本質(zhì)的過程。分析和歸納表面有相似的地方，但從本質(zhì)上看是完全不同的兩種方法。分析的具體形式是多種多樣的，而歸納的具體形式趨于單一。分析方法與簡單的歸納法相比具有較大的優(yōu)越性，因為其可以充分考慮特殊因素在實驗中的影響；而從本質(zhì)上來說，歸納法是不周密的，其結(jié)果具有部分借鑒意義。綜合是基于已經(jīng)認識到的自然規(guī)律，將研究對象的各方面本質(zhì)有機聯(lián)合成一個整體，從這個整體中生成新的規(guī)律的方法。

第三，類比和假設(shè)的方法。類比是根據(jù)兩個或兩個以上的事物存在的相同、相似方面來推斷其在其他方面也存在相同或相似的一種推理形式。類比不同于歸納和演繹，演繹是一般到特殊、歸納是從特殊到一般，而類比則是從特殊到特殊的推理。假設(shè)包含著部分已知的自然規(guī)律和部分推測和假定。

對于第一點，歸納是我們基于眾多前輩同行的研究得到的經(jīng)驗的總結(jié)，演繹是我們利用前人總結(jié)出的規(guī)律進行合乎邏輯的推理。因此，在翹曲問題上，我們可以借鑒前人對該問題的解決方法或者自己依靠客觀規(guī)律進行邏輯推理得到解決方法。對于第二點，分析是貫徹我們整個實驗過程的，從研究課題的確定到實驗，再從實驗到最后的實驗數(shù)據(jù)分析等，都離不開分析這一研究方法；綜合可以是結(jié)合人腦進行的思想實驗，是我們基于實驗得出的問題或者結(jié)論在人腦中進行碰撞，最后產(chǎn)生新的感性認識去驗證這些問題或結(jié)論，從而形成理性認識。對于第三點，類比是我們在實驗設(shè)計過程中所采用的方法，可以有效避免某一個實驗環(huán)節(jié)因為某些意外因素導致的實驗問題，如翹曲問題，其是普遍存在于成型零件中的，因此可以進行橫向類比。假設(shè)是當我們解決實驗問題的一個關(guān)鍵因素，在實驗人員完全不清楚實驗問題產(chǎn)生的來源時，應該進行合理的假設(shè)，以對該問題有一個大致的把握，這樣才能進行資料的收集和分析，最后解決問題。

3 翹曲問題的解決

在經(jīng)過歸納和演繹的綜合作用之后，我們發(fā)現(xiàn)，在前人的研究中，對翹曲問題已經(jīng)有一個大致的解釋，即由于粉末熔化后上下兩面的冷卻速度不同，上面接觸空氣的冷卻快，下面接觸基板的冷卻慢，因而形成不對稱的內(nèi)應力，從而導致宏觀翹曲，尤其體現(xiàn)在零件與基板接觸的邊緣位置。同時，在經(jīng)過分析和綜合的方法之后，我們對翹曲問題有一個較為清楚的認知，從而在大腦中逐步形成解決該問題的方法。最后，通過類比和假設(shè)之后，我們最終確定了翹曲問題是由于激光掃描路徑過長和熔化區(qū)兩面冷卻不及時兩方面共同作用的結(jié)果。

基于上述分析，筆者提出以下解決方案：針對冷卻速度不同的問題，可以提升成型箱內(nèi)的溫度，使該零件上下面之間的冷卻速度趨于一致；針對激光掃描路徑過長的問題，可以優(yōu)化掃描路徑，用較短的掃描路徑和小范圍多次數(shù)的掃描方式來替代原先的掃描方法。

4 啟示

通過以翹曲問題為例，分析SLM工藝試驗中的問題意識和科學方法論，筆者得到如下啟示。

①科學研究和人才培養(yǎng)要有問題意識，要善于提出問題，并善于分析問題和解決問題，在面對形形色色的問題時能做到基本的理性判斷，能尋找科學的解決方法。

②要重視方法論教育。知識的積累僅是量變，方法的突破才是質(zhì)變。授人以魚不如授人以漁，教給學生科學研究的方法和創(chuàng)新的方法是至關(guān)重要的。

③要善于抓住關(guān)鍵問題。對于SLM制造系統(tǒng)所采用的金屬粉末，我國僅能制造最簡單同時也是最便宜的碳素鋼粉末，且目前SLM制造系統(tǒng)的核心零件——光纖激光器還受制于人，這是我國從事相關(guān)領(lǐng)域研究的科研人員應該抓住和解決的關(guān)鍵問題。

參考文獻：

[1]吳元樑.科學方法論基礎(chǔ)[M].增補本.北京：中國社會科學出版社，2008.

[2]E. Bright Wilson. An introduction to scientific research[M].上海：上海科學技術(shù)文獻出版社，1988.