基于激光加工技術的創新訓練項目研究

■ 朱雪明 曹剛 王鳳華

0 引言

隨著科技的進步和社會的發展，我國的高等教育已由20 世紀末的快速發展轉到現在的穩定發展時期，我國經濟建設的發展對高等教育的人才培養質量也提出了新的要求。根據教育部2013 年提出的《關于完善本科學校設置工作的指導性意見》，對于工程訓練中心及其教學定位“工程訓練中心要象高校的圖書館、體育館一樣，成為一種常態化的教育資源[1]。”

工程訓練中心作為學校的工程素質教育平臺，其在成立之初的既被賦予了“第二課堂”“實踐操作基地”等職責，而在“大眾創新、萬眾創業”“中國制造2025”以及新一輪“互聯網+”的時代浪潮中更好的為學生服務，做好學生創新創業的“抓手”和“臺階”將是新時代工程素質教育的關注重點。

隨著人類社會發展，新時代創新成果已由“摘果子”似的創新演變為在現有技術或產品的基礎上通過對于不同技術或學科的交叉實現的“組合式”創新。在這個創新過程中，作為創新主體的人所了解或掌握的知識和技術就顯得尤為重要。實踐教學環節將成為學生創新教育的基礎性環節，在這個過程中學生通過對于新知識，新技能的學習會初步掌握創新思維和創新方法，為后續創新能力的提升打下堅實基礎。

1 激光加工技術的發展現狀

激光加工技術的主要特點是由激光器產生較大功率的激光束，通過對材料表面的集中照射產生大量熱能來去除材料的加工方式，自20 世紀60 年代問世后就廣泛應用于通信、測量、醫療及加工制造等行業。經過多年發展，目前已經應用在生產實踐中的激光加工技術主要有激光切割、激光打標、激光焊接及激光表面處理等[2]。

激光加工的原理特性決定了其具有非接觸、高精度、高效率及可加工復雜形狀的特點。由于激光加工的非接觸特性，所以沒有“刀具”的概念，在加工時也不會產生應力變形。所以激光加工在加工復雜的薄片狀零件時具有很大優勢，例如大型集成電路板的雕刻與切割，市面上主流的激光雕刻機可以在線寬15～25μm 槽深5～200μm 的范圍內以200mm/s 的速度進行加工，且不會造成電路板的變形及破裂。

2 激光加工實訓課程設置中對于創新教育的體現

激光加工實訓課程主要分為以下幾個層次，如圖1 所示。

圖1 激光加工教學體系

（1）日常實訓教學，面向對象為所有低年級學生，學生多為初次接觸激光加工手段。課程以基礎理論講解和激光設備簡單使用為主，通過指導學生使用設備，對于激光加工的特點與加工能力有一個清晰的認識。

（2）綜合創新課程，面向對象為高年級理工科專業學生，學生已接觸過激光加工。課程內容主要是通過項目作品的制作來進行，學生需要使用包括激光加工在內的多種手段，按照教學目標通過團隊合作的方式來制作某些機電結合的項目作品。

（3）社團創意課程，主要針對木創、創新創業等學生社團，社團學生可以在前期掌握激光加工設備的基礎上通過發揮自己的創意制作創意作品。

（4）競賽項目應用，工程訓練中心一般定位為學校的“實踐教學基地”，每學期都有大量學生參加各類學科競賽，在這個參與競賽的過程中，鼓勵學生通過自己操作包括激光設備在內的各種加工設備制作作品參加比賽，如圖2 所示。

圖2 激光加工小車車架

3 基于激光加工的各類創新訓練項目

3.1 木質國風書簽

在木創社團的社團活動中，指導老師結合該激光加工的特點，給定了結合手工木作和激光加工來制作木質書簽的選題方向。根據題目，首先要求學生以小組發揮創意來確定初步方案，然后通過學生小組交叉評審及投票來選定制作方案。根據設計方案，學生需要制作出具有本小組特色的木質書簽，如圖3。

圖3 木質國風書簽

在制作過程中，通過老師的指導，學生需要掌握如CAD、RDWORKS 等圖形繪制及激光加工軟件，以及簡單的木作技巧，例如木材的開料、打磨、拋光等技藝。設計過程學生需要考慮材料的形狀特點，以及各種裝飾的圖案或者文字，并且需要兼顧考慮作品的美感。例如材料打磨出來后，為了保持輪廓的清晰則需要對材料的邊緣進行切割以及某些花紋的設計需要適當超出材料邊框等。

在設計過程中學生除要求熟練運用各種繪圖工具外，對于學生的創意以及技能的熟練程度都有一個綜合性的要求，經歷了此過程，學生將對設備的加工能力、材料的特性等都有了一定的了解，將有利于學生創新綜合能力的培養。

3.2 創意小盒子

針對非金屬激光加工的設備特性，設計此項目作為綜合創新課程的激光加工訓練項目。在項目中，學生根據設備能力、材料厚度、作品外形等條件設計各塊板材的外形尺寸、卡口位置及厚度等內容。例如，如果選用3mm 的木芯板作為制作材料則兩塊板之間的卡口尺寸應選擇3mm，同時考慮到激光加工的切縫，此卡口尺寸選擇2.95～2.98mm 之間為宜，加工圖例如圖4。

圖4 創意盒子圖紙

作品雖小，但所有問題均是基于實際對象提出，學生在制作過程中會利用所學理論知識解決實際問題，在此過程中學生會涉及到諸如材料利用率方面的成本問題，也有不同板材厚度導致的卡口尺寸配合的工業問題[4]。通過對于這些實際問題的解決，訓練了學生的綜合創新能力，制作成品如圖5。

圖5 創意盒子成品

4 結語

創新創業除有創新的思維外，還要有相應的技術能力。而激光加工技術的應用門檻相對較低。學生通過對于設備操作知識的簡單學習，再結合他們前期所學的理論知識，既可以將各種創意變為現實。通過理論、設計、創新這一過程，學生積累了對于實際工程問題的解決能力，并培養了學生的創新思維。通過此類實訓項目的開展，學生對于產品的設計開發過程有了系統認知，這將十分有利創新創業教育的推廣和發展。