增材制造在材料專業教學與實踐中的應用探討

劉桐 鹿憲珂 劉琪 冒國兵

[摘 要] 增材制造技術已經成為材料成形的一種重要方式，在材料工程應用中起到了重要作用。增材制造技術在高等院校材料工程類專業中的應用，既可以豐富課程體系，又可以促進大學生創新設計與實踐應用。從材料工程類課程教學改革方向、專業學科方向與學科交流、材料工程類專業大學生創新創業及增材制造技術在材料工程專業應用等四個方面，探討了增材制造技術在高等院校材料工程類專業教學與實踐中的應用方向，為材料工程類專業在增材制造方向的教學改革奠定了基礎。

[關鍵詞] 增材制造技術;材料工程專業;教學改革;實踐應用

[基金項目] 2019年度安徽省教學研究重點項目“成果導向的教學過程質量監控機制建立與改進——以安徽工程大學材料科學與工程專業為例”（2019jyxm1155）;2016年度安徽省教學研究重點項目“以提高材料類專業大學生創新能力為目標的實踐教學體系構建與保障能力建設”（2016jyxm0090）;2018年度校級新工科示范專業（方向）項目“材料科學與工程專業增材制造專業方向”（2018xgksfzy01）

[作者簡介] 劉 桐（1988—），男，安徽宿州人，博士，安徽工程大學材料科學與工程學院講師，主要從事金屬材料增材制造研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0077-04? ?[收稿日期] 2020-12-03

增材制造技術是基于離散—堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術的內涵仍在不斷深化，外延也在不斷擴展。增材制造技術不需要傳統的刀具和夾具及復雜的加工工序就能在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現零件的“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著。

增材制造技術是近年來發展迅速、進步較快的先進制造工藝技術，目前已經廣泛應用于航空航天、船舶重工、模具制造、汽車輕量化、醫療等領域[1，2]。《中國制造2025》中明確指出，要加快增材制造技術和增材制造高端裝備的研發。增材制造技術已入選工信部《戰略性新興產業分類（2018）》。同時，隨著增材制造技術的不斷發展，其應用范圍也逐漸擴大，推動了國內高校相關科學研究、專業教學的發展與改革。

在高等院校中，材料工程類專業一般涉及材料成型及控制工程、材料科學與工程、金屬材料工程等相關專業，根據每個學校的建設背景及辦學方向，各學校的這一專業也會有不同的專業方向，開設不同的專業課程。這些專業大都以材料學、化學、物理學為基礎，學習金屬、高分子等材料學與工程方面的知識，培養既有扎實理論基礎，又有較強的工程實踐和創新能力的人才。增材制造技術是一種涉及多材料、多技術的廣義技術稱呼，相對傳統的減材制造而提出的名詞。作為新時代高等院校的專業教師，特別是材料工程專業的教師，應時刻接觸最前沿的信息技術，根據自身的教學特點，并結合增材制造技術的發展趨勢，將其逐漸融入教學和科研工作，提高教學質量，促進教學改革[3，4]。

在材料工程類專業課教學中，通過對增材制造技術中所涉及的材料制備、材料增材過程中的制造和成形現象與傳統材料成形過程進行對比教學講解，可以使課堂教學更加生動，提高學生對增材制造技術的認知與理解。在材料工程類專業實訓過程中，增加增材制造技術的實訓，可以使學生對先進增材制造技術有直觀的認知，培養出緊跟先進制造技術的工程技術人才，還可以提高學生的創新能力和學習的趣味性與積極性。本文旨在探討增材制造技術在材料工程類專業中的教學改革與實踐應用。

一、增材制造技術在材料工程類專業教學改革中的應用

（一）豐富課程體系，為課程教學提供支持

增材制造技術涉及機電、材料、電氣等多學科內容，屬于多學科交叉性系統，在選區激光熔化技術、電子束選區熔化技術，以及電弧等離子送絲等金屬增材制造領域，金屬材料的增材制造過程所使用的原材料需要達到冶金結合，才能形成致密可使用的金屬零部件。在金屬原材料的冶金結合過程中涉及材料工程專業課的材料科學基礎、材料成型原理、傳熱學等相關課程的基本理論與實踐內容。在此類相關課程的教學過程中，利用增材制造技術可提高課堂教學的直觀性，調動學生學習的積極性[5]。因此，利用增材制造理論與成型技術，可以為材料工程類專業的教學提供支持，豐富教學課程體系。

在“材料成型原理”教學中，在講授金屬液態成形原理涉及焊縫金屬溫度場與凝固時，其中焊接熔池具有加熱速度快、峰值溫度高、冷卻速度快等特點，與選區激光熔化過程中的粉末床中的金屬粉末的加熱熔化與凝固特點較為接近，因此在講授焊接熔池熔凝特點時，可以在介紹焊接熔池特點時與金屬增材制造過程中形成的熔池特點的相似性與不同點進行類比介紹與講解。同樣在講授“焊接質量控制與檢驗”課程時，焊接質量的檢驗與增材制造零部件的檢驗檢測具有多方面的相似點和不同點。

在傳統鑄、鍛、焊工藝成形原理的講授過程中，通過增添新型增材制造技術成形原理的介紹，對傳統加工制造工藝與新型增材制造技術進行類比介紹與講解，一方面使學生了解增材制造技術與傳統加工、熱成型技術的相關性;另一方面加深學生對新型智能制造技術的了解，培養學生對制造業的認識與興趣。

（二）完善材料工程類專業的學科方向，促進學科交流

目前，一般院校的材料工程類專業方向多為鑄造、焊接、鍛壓或模具等傳統制造業的加工成形技術。近年來，我國互聯網、計算機及金融證券等行業快速發展，這些行業在對高校畢業生具有較大的吸引力，從而使傳統制造業相關專業畢業的學生對本專業失去了認同感。例如，材料工程專業的部分學生在進入大學以后，對本專業所學習的傳統鑄鍛焊技術原理逐漸失去興趣，進入社會之后從事與材料工程不相關的工作。因此，有必要在材料工程類專業中開設新的適應我國制造業發展的專業方向，為新興制造業、智能制造的發展提供人才支持，完善材料工程類專業的學科方向。