數控雕刻技術的水泥基材料智能制造實踐教學探索

朱洪波

（同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

隨著《中國制造2025》發展戰略的深入推進，帶動了全社會普遍關注對智能制造人才的培養。在土木工程專業領域，許多高校陸續開設了以BIM 和“3D 打印”技術為代表的相關實踐課程，有些研發了基于BIM技術的實踐教學素材并應用于畢業設計［1］，或以CDIOF（構思＋設計＋實施＋運行）思想指導BIM 學習和應用［2］，總結出BIM在實踐課程中的關鍵影響因素及其適用范圍［3］。也有高校將BIM 引入傳統相關課程，如“土木工程施工”中［4］，利用BIM 強大的信息功能及其“模擬性、可視化和協調性”引導學生通過三維建模來提高空間想象力［5］，或搭建“實體＋虛擬仿真”的綜合實驗教學平臺，設置“知識、建模、程序編輯與操作、應用與評價”或“培訓應用、虛擬軟件研發體驗、成果展示”等教學模塊，并將其進行物理空間分區［6-7］。有些還將其與“裝配式建筑技術”課程［8］、校企合作和實踐基地資源等融合開展［9］。相對來說，開展3D打印課程建設的報道較少，因其對材料的流變性、打印工藝甚至工作環境、指導水平的要求較高［10］，不易獲得滿意的完整作品，并且其打印裝備亟待優化和改進［11］，另外，硬件投入大、軟件配套難和打印周期長等都是制約其快速形成實驗課程的障礙［12］，有建議將其與同類科研項目結合來建設實驗課程，不失為一種有效方法［13］，但可推廣性有限。事實上，國內外的建筑3D打印技術尚不成熟且在不斷發展，其雖備受關注但并不適用于所有高校的實驗課程建設。本文探索采用數控雕刻技術制備水泥基裝飾制品，并將其建設成為土木工程材料專業學生的智能制造實踐課程，取得良好效果。

1 數控雕刻儀器

1.1 硬 件

目前，數控雕刻設備的生產制造與使用工藝技術較為成熟，型號齊全，可選擇的功能搭配較多，便于建設單位根據所需確定設備選型及其配置。其基本功能是進行平面雕刻，可獲得浮雕式裝飾制品，線條與紋理細膩，藝術表現力充分；如果增加配件，還可完成三維立體雕刻作品。同濟大學先后購置2 種型號的數控雕刻機，如圖1 所示。

圖1 數控雕刻機

該類設備對安裝和使用環境的要求不高，根據不同型號（型號決定了一次性雕刻成型作品的最大尺寸）只需提供相應的、有電源的配套空間即可，并且可選220 V（小型，適用于對雕刻頭阻力不大的雕刻加工）或380 V（大型，可提供較大動力，雕刻高硬度材料和高速雕刻）電源，安裝、調試后即可使用，供應商一般都提供詳細的紙質和視頻操作指南，幫助教師和學生快速上手、熟練掌握。同時，供應商還會提供或從網上免費獲得簡易雕刻程序，讓初學者很快就能制造出具有一定實用性或觀賞性的雕刻作品，從而立即樹立信心和激發學習興趣。

1.2 實際應用

該類機械在木雕、石刻等建材或瓷雕、玉雕、金雕等其他各領域早已廣泛應用，所生產的雕花家具、石碑篆刻、廣告銘牌、金玉瓷器、藝術掛件等實用產品已很常見，從網上可看到各類相關產品，如圖2 所示。

圖2 各種雕刻產品

1.3 實驗項目建設投入

（1）主要設備。作者學校購置了配置齊全的2 種型號數控雕刻機，單價分別不到3 萬元和7 萬元。相對于動輒10 萬元以上的砂漿或混凝土3D 打印機械來說，雕刻機設備投入大幅度降低。

（2）設備耗材。主要來自雕刻頭的磨損更換，其一般只有圓珠筆芯大小，各種材質的雕刻頭售價從幾元到幾十元不等，根據所雕刻板材的硬度不同選擇雕刻頭材質，一般每個雕刻頭可支撐多個小件作品的全程加工，總體消耗不大。

（3）雕刻板材。常用木質、金屬質、石材、瓷磚、水泥板等板材，對其基本要求是結構致密、均勻、無纖維節理、無氣孔、無裂紋，以免雕刻出的紋理細膩程度受到影響，除非有意利用材料自身的不均質性來體現特殊的圖案背景效果。滿足要求的木板一般為硬質的紅木、棗木、榆木等，比一般木板要貴一些。各種適合雕刻的板材均在市場上有售，尺寸型號豐富，方便易得。

（4）轉換作品圖案的CN代碼。簡單圖案可教會學生按照轉換步驟自行完成，如果課程無需學生掌握該技能也可委托完成，目前市場上有專業機構或公司代為轉換，根據圖案的復雜程度不同而收費不等，簡單的常見圖案如木雕常用的祥云邊框圖案、磚雕上常見的“福、壽、佛”等字＋花邊圖案等，甚至免費或收費低至十幾元。當然，復雜的大型圖案轉換費用可能高達每件幾千元。建設單位可預先準備圖集，供學生自主選擇。

2 雕刻與成型工藝

浮雕作品雕刻操作的工藝過程如下：

（1）選擇要呈現的藝術或裝飾產品圖案。這些圖案可以是自行設計的或拍攝照片的電子文件，無論其以何種格式保存，均要先將其轉換為雕刻機可執行的CN代碼程序文件，打開雕刻機主機及其控制系統軟件，將雕刻頭移動到初始位置并在程序中設定為工作“起點”，然后找到并執行該文件即可由機器自動完成雕刻過程。

（2）選擇適當的雕刻板材。板材厚度根據其材質的力學性能、平面尺寸、雕刻深度以及對板材抗彎性能的要求來確定，當然還要適應設備的最大加工尺寸要求，并且要選擇硬度足夠的雕刻頭。對于超出設備尺寸限制的作品，可通過分塊雕刻來完成。

（3）成型工藝。根據是否單品或批量生產該圖案作品，一般分為直接雕刻成型和翻模澆筑成型兩種方式。對于單品通常在適當的板材之上直接雕刻出成品；而對于批量作品可利用雕刻圖案通過翻模、澆筑成型，其翻模材料目前市場上常用模具硅膠，其為流動性較好的液態，可充分填充于雕刻作品的各種紋理之中，在其配套固化劑的作用下經過一定時間固化，再向該硅膠模具內澆筑成型材料如水泥漿，即可得到復制的批量產品。因為翻模工藝并不利用直接雕刻的板材進行澆筑，所以可選擇硬度較小的板材作為雕刻模板。作者通過大量嘗試建議采用石膏板，可在建材市場購置石膏粉自行澆筑不同厚度的板材，其成本極低，并且對雕刻頭的磨損較小，可得到非常細膩的紋理。

（4）雕刻程序。雕刻作品的CN代碼被稱為運行雕刻機的“路徑”，有專門的教程指導轉換，但該工作需要耐心且耗時較長，根據不同的訓練要求可讓學生學會轉換方法，也可委托轉換。

3 教學實踐

3.1 學科競賽

利用6040 小型雕刻機，借助大學生創新訓練項目（SITP）和學科競賽等機會，既鍛煉師資隊伍并熟悉裝備習性，也先后支持了多批次、多層次（國家級、市級、校級和企業）的競賽項目，利用該儀器完成設計和制作創意作品。在由作者單位主辦的年度賽事《全國土木工程材料創作品設計大賽》和由企業承辦的上海地區《材料創意大賽》中，依托該設備完成大量參賽作品；同時，學生還將數控雕刻工藝應用于由美國土木工程協會舉辦的《中太平洋地區大學生土木工程競賽》，用于制作“水泥輕舟”。另外，作者還將該工藝用于國家“十三五”重點研發項目中，開發出系列水泥基藝術人造石產品并開展了產業化推廣。

由學生分別按照“分區雕刻＋翻模＋組合后澆筑”方法（圖中有拼縫）和一次雕刻成型制作的部分水泥作品見圖3。

圖3 學生制作的水泥藝術人造石作品

通過嘗試，指導教師完全掌握了相關工藝、設備和軟件等關鍵技術，并形成了系統、完善的雕刻工藝技術規范；同時也充分了解了利用該技術指導學生開展智能制造訓練的各種方法，并建立了指導學生開展創意設計、過程監督和效果評價等系統管理模式，為后續正式立項成為本科生專業基礎實驗課程奠定了良好的基礎。

3.2 實驗課程

（1）實驗項目設置。該項目與分別采用金屬、高分子和水泥等材料開展的3D 打印實驗項目一起被列入材料類“專業基礎實驗課程”中的“材料智能制造實驗”課程，面向全校各專業學生自選，具體實驗項目名稱定為“數控雕刻成型水泥基裝飾材料實驗”。

（2）課程培養目標。定位為“了解和掌握現代水泥基材料智能制造技術和裝備，運用數理化和材料專業基礎知識，設計和制備建筑裝飾材料”，通過課程培養學生在該技術領域的“創造、動手、實驗操作和成果表達能力”。

（3）針對課程培養目標的指標點。結合教育部“工程認證”的工作要求，制訂了詳細的教學任務指標點細則，包括運用數學知識建模、文獻收集與分析總結、制訂針對復雜工程問題（個性化裝飾圖案和效果）的解決方案、制訂科學可行的實驗方案以及熟練掌握或利用數控雕刻儀器、設備、場地開展實驗并保障安全，等。

（4）具體實施。

A.課程內容。分為理論、設計、實操和總結四大板塊。理論部分主要包含可用于建筑領域的各種制造工藝、原理、主要裝備、采用的軟件和制備方法等；設計部分包括立體圖案的選擇與設計和制備材料設計，前者包括運用教程將各種圖案轉換為CN 代碼的知識，后者的材料設計主要針對建材專業學生并用于“翻模”成型工藝，要求學生按照所學土木工程材料基礎知識，設計澆筑成型水泥板材的膠凝材料、骨料、增韌增強材料以及顏色外觀等，其中還重點強調了目前市場上較為流行的、“清水混凝土”的材料設計及其制備方法，另外還要克服大面、薄壁的水泥板材作品到后期容易出現的翹曲、變形問題；實操部分包括設備的基本操作要領，如雕刻頭定位、換刀（雕刻頭）、暫停、圖案拼接、成品修飾以及設備的常用功能知識等；總結部分除了實驗報告以外，特別重視學生通過該實驗的收獲和體會，并以固定的“實驗報告”格式明確該部分所占考核的比重。

B.實驗項目設計。根據材料與非材料專業的學生，分兩種模式進行實驗教學，兩種模式下均提前發給學生相關視頻使其初步認識相關知識，并要求各實驗小組提前選好擬雕刻的裝飾圖案。對于非材料專業學生，其主要學習目的和要求是了解建筑及其材料制備中的智能建造知識，以及關鍵設備和制造工藝，教學內容具有科普性質，因此其課程主要分為理論＋實踐兩大環節，各安排2 次（每次2 課時）課程，并且其雕刻作品一般為簡單圖案，如簡筆畫、動漫截圖、規則圖形等。理論課后要求學生在課下完成雕刻作品圖案的CN代碼轉換，在實踐環節集中講解相關課程內容并演示操作方法，然后利用課余時間分組、依次完成上機雕刻操作。對于材料專業的學生則增加了翻模澆筑材料設計的內容，所以正式的課時量為5 次10 學時，即按照課程內容的四大板塊各安排1 次并增加1 次澆筑硅膠模具和成型水泥石的實驗操作，相應地每次課后任務也更豐富，比如所選的圖案更復雜，導致CN代碼轉換工作量更大，特別是對翻模澆筑材料的設計部分，要求采用輕質超高性能混凝土UHPC 材料并要達到“清水混凝土”的外觀，最后成型的作品板材厚度應盡可能薄但又足夠堅固、不易在搬運中斷裂，滿足可懸掛、安裝的基本要求，等等。

C.實驗項目保障。首先，關鍵設備雕刻機的數量配備根據各校條件設置，只要有一臺即可開課，但要求實驗室的開放程度較高，能夠利用夜間、周末等課余時間供上課學生完成作品雕刻。一般單件作品均可在一個夜晚全部完成，更多的雕刻機復套數當然更有利于該課程所有學生集中完成實驗操作。其次，要求師資能力充沛，既要具有充分的理論知識，又要熟練掌握硬件操作和設備的運行、維護等配套工作，進而能夠高效、準確地指導學生的實操訓練并糾偏、糾錯，當然還要提前準備好雕刻頭等易損件和雕刻板材、翻模硅膠、澆筑材料等。

4 教學效果

4.1 實踐項目

（1）借助數控雕刻實踐課程開展的多項各級大學生創新項目獲得很高的結題驗收評價。

（2）利用雕刻工藝制作的土木工程材料創意作品屢獲學科競賽大獎，多件作品被其他單位選中做科技展品。

（3）通過雕刻工藝所建造的水泥輕舟外觀相比傳統手工涂抹方法顯著改善，并成為參加該美國賽事的關鍵技術亮點之一，為本校多次獲得分賽區冠軍做出了重要貢獻。

4.2 實驗課程

（1）基于數控雕刻工藝所設計的土木工程材料智能制造實驗項目，作為重點內容列入新的《實驗教學大綱》。

（2）該實驗項目備受學生喜愛，選課踴躍，首次開課就有很多非材料專業學生選修該實驗課程。

（3）實驗內容充分體現了設計性、綜合性和開發性、創造性等目前國家倡導的實驗教改方向。尤其針對建材專業學生的項目內容，不僅涉及了現代智能制造技術，還要求學生綜合運用水泥、混凝土專業的基礎知識進行作品澆筑板材的材料設計，將多學科知識有機地融入一項具有藝術性和趣味性的實驗中，實踐中顯示出對學生較強的吸引力。

5 結語

基于數控雕刻技術的水泥基材料智能制造實驗教學實踐表明：

（1）相對于土木工程材料智能制造如3D 打印實驗項目來說，該實驗項目建設的投入少、見效快，師生都更容易迅速掌握操作要領，并且能夠制備出具有觀賞性、藝術性或實用性的作品，顯著增加課程對學生的吸引力。

（2）將現代智能制造技術與土木工程材料基本知識有機融合，既可綜合訓練學生的設備操作、作品外觀設計、數字建模和軟件應用等各種動手能力，同時也可鍛煉學生綜合運用土木工程材料基礎知識的能力，充分體現出實驗項目的設計性、綜合性和開發性、創造性。

（3）實驗項目建設需要指導教師具有充分的理論知識并能夠熟練掌握硬件操作和設備的運行、維護等配套工作，同時還要求實驗室的開放程度較高，便于學生利用課余時間完成作品的雕刻工作。