增材制造技術及其在職業教育中的應用

余水晶

增材制造技術在現代社會的應用越來越普遍，被看作是工業領域的重要科技突破，并有望推動“第三次工業革命”的實現。增材制造技術的出現讓個性化的定制與生產成為可能，在珠寶設計、航空航天、汽車制造等眾多領域有廣闊的應用空間。我國高度重視增材制造技術產業的發展，其在一些領域的應用已經比較成熟，但在教育領域尤其是職業教育領域，并未得到大面積普及和推廣。

一、增材制造技術簡介

（一）增材制造技術的定義

增材制造技術（Additive Manufacturing AM）通常被稱為3D打印，是依據產品的三維CAD模型，運用材料累積成型的原理，通過相應的程序控制將材料逐層堆積粘接，制造出實體產品的數字化制造技術。相較于傳統的材料去除技術，增材制造技術是一種自下而上材料累加的制造方法，其以獨特的工藝，把三維物體分成無數個二維層片，逐層堆積起來。增材制造綜合運用材料科學與工程、激光、計算機、精密傳動與數控、粉末冶金等現代與傳統技術，實現零件或產品原型的直接快速制造，為產品創新設計和快速制造提供了新的技術手段。

（二）增材制造技術的原理

增材制造技術利用3D打印機逐層打印的方式來快速制造產品。3D打印機可以將塑料、金屬、陶瓷等材料作為制造耗材，打印機由步進電機控制系統、溫度控制系統等進行程序控制，根據模型切片分層后，生成打印噴頭移動路徑或者激光掃描路徑，對材料進行由離散到堆積過程的加工，最后制造出三維實體模型。

二、增材制造技術的特征

一是增材制造技術特別適合于傳統技術不能處理的且較復雜的幾何構造。它不但能夠生產有復雜型腔的超大中型零部件，還能夠生產一些非常復雜的中小型零部件。二是增材制造技術非常適合用于小批量復雜零件、備件及個性化產品設計的快速生產制造。與我國傳統工藝和其他生產技術相比，直接生產終端部件有著更突出的成本優勢。如增材制造技術在航空與航天領域的成功應用等。三是增材制造技術可使設計師將設計思路迅速轉變為三維空間設計實體，進而為零部件設計原型、組裝、功能測試、設計檢驗與糾錯等提供更高效的三維空間優化與設計手段，推動產品設計的科技創新與性能優化。四是增材制造技術不需傳統的機械工具、夾具、模具等，就能夠在同一個裝置上迅速、精確地制造任何復雜形式的汽車零部件，進而達到零部件的“自由制造”，簡化制造過程，降低工藝難度，大大減少了制造時間。五是增材制造技術可以適應航空兵器等裝備研發中低成本、縮短周期的需求。據統計，國內大中型飛機上鈦合金零部件的原材料使用率很低，一般都不高于10%，若采用高能束流式增量生產技術，可以節約2/3以上的金屬材料，而數控整機工藝時間至少可以縮短50%。

總的來說，和傳統的切削加工等制造方法相比較，增材制造技術無需對物體進行切削，直接出成品，縮短了樣品的制造周期，同時減少了材料的消耗，大大降低產品成本，使得設計者能夠更充分地按照產品設計功能的現實需求進行產品設計工作，而不用受到造型設計煩瑣、實際生產困難帶來的思維局限。

三、增材制造技術在中職院校中的實際應用

（一）增材制造技術融入抽象的理論教學

增材制造技術易于將抽象的設計變為現實，這方便教師對教學、設計進行分析論證，同時也方便學生直觀學習。職業院校學生相對學習基礎較差，專業課中有些知識過于抽象，不易理解，而引進增材制造技術進入課堂，教師可以根據實際教學需要，打印出所需的三維實體模型，將抽象的專業理論知識轉化為具體的實物模型，最終呈現在課堂上，學生可以更具體和形象地理解抽象知識。

對職業院校學生來說，一個具體的實物模型勝過教師或書本上成千上萬句的語言描述。如：機械工程專業學生可以利用增材制造技術制作出所設計作品的零件原型，或者是可直接使用的蝸桿、連桿、齒輪等零部件;建筑類專業學生可以打印出建筑設計作品的微縮三維模型;動漫設計專業學生可以打印出自己創作的人物、物品道具;食品專業學生則可以利用增材制造技術制作出菜品的展示模型;等等。所以，教師將增材制造技術運用到理論教學中，可以將抽象的理論知識變得可見、易理解，加深學生對專業知識的掌握，提高學習效率。

（二）豐富職業院校教學體系，加強各學科交流

增材制造技術涉及的領域包括汽車制造業、機械制造業、電子信息、航空制造、醫學、輕工業等，所涉及的學科知識包括機械工程、金屬材料、材料成型、電子工程等多種專業，共同構成交叉學科系統。例如，在金屬增材生產技術領域中，選擇性激光材料熔化工藝技術、電子束選擇性熔化工藝技術、焊接電弧等離子送絲工藝技術等，在金屬增材生產過程中所用的原料都必須與冶金工藝結合，以產生更精密可用的金屬零件。

金屬增材制造技術涉及物質科學基礎、金屬材料加工成型原理、傳熱學等材料工程專業中有關的理論和內容。在這些關聯學科的教學過程中，教師利用增材制造技術能夠增加教學的直觀性，充分調動學生的學習積極性。所以，利用增材生產理論與加工成型技能，能夠為工程專業的教學提供技術支持，豐富了增材制造成型專業的課程體系。一方面，職業院校學生能夠認識增材制造成型新技術，以及我國傳統機械加工、熱成型工藝技術之間的關聯;另一方面，也增強了職業院校學生對智能加工新技術的認識，從而培養了職業院校學生對工業技術的興趣。

（三）創新教具，用于課堂情境教與學

在職業院校的課程體系中，理論知識與實踐的相關性強，要求學生有很強的空間想象力及構造能力，學習難度較大。近年來，職業院校應用多媒體教學，也取得了不錯的教學效果，但是，多媒體教學受限于虛擬技術，對學生的空間思維能力和構造能力有一定要求，大部分學生學習一些抽象知識還是很吃力。研究發現，在職業院校的實際教學中，學生對實物模型的教具更感興趣，教學效果也更好。然而傳統的實物教具模型過于老舊，更新成本高，周期長，且沒有與不斷更新的專業知識及創新型教學案例相結合，對實際的教學活動幫助較小。增材制造技術將有益教學的模型打印出來，最終呈現在課堂上，使教學內容實物化，是一種現代制造技術和教學相結合的創新。這一方面，解決了傳統教具加工成本較高、更新周期長的問題，提升了教學質量，實現現代先進制造技術與職業教育教學模式的結合;另一方面，利用增材制造技術可輕易實現教具定制化服務。教師可根據不同課程，不同學情，個性化定制實物教具，順應創新型教育發展的趨勢。

（四）提高職業院校學生的自主創新能力

創新是一個民族、一個國家進步的靈魂，培養職業院校學生的想象力、創造力、獨立思考能力至關重要。創新精神的初期是興趣和求知欲，自主創新能力是將想象的創意付諸實踐，并有效實施的一種能力。許多職業院校創建了科技興趣小組或重視畢業創新作品設計環節，以鼓勵學生自主創新，但往往一些創意想法都囿于產品實現困難而被迫終止。增材制造技術的出現徹底改變了這一現狀，創意設計不再局限于傳統加工能力或零部件獲取困難的難題，利用這一技術可以快速制作出學生創新設計過程所需的零件，職業院校學生可以輕易將自己的創意變成成品。增材制造技術輔助創新教育的理念，可激發職業院校學生對某些科學過程或現象進行可視化的展現，為學生創新提供一種更加高效的形式，提升學生的創造性思維、動手能力，以及發現問題和解決問題的能力。

總之，增材制造技術具有突破與創新的特點，具有頑強的生命力。增材制造技術應用于職業教育，特別是在較為枯燥的工程專業教學中，能幫助職業院校學生獲取直接的認知體驗，促進學生立體化地獲取和理解專業知識，拓展了學生的創造性思維，提高了學生的自主創新能力。在增材制造技術的基礎上提出的教學模式，是對職業教育課程改革下的教學模式的大膽嘗試。

（本文系海南省教育科學規劃課題“海南中職教育增材制造技術人才培養研究”的成果。課題編號：Q JY20191054）

（責編 桑 濤）