新工科背景下增材制造技術(shù)課程的教學(xué)探索與實踐

李 凱，項 薇

（寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

增材制造技術(shù)，通常也被稱為3D 打印，是一種高效制造方法，通常是一層一層地從3D 模型數(shù)據(jù)中直接制造零部件。隨著增材制造越來越成熟，對增材制造專業(yè)人才的需求也在不斷增加。這引發(fā)了高校對增材制造技術(shù)課程的廣泛興趣和重視。增材制造涉及多個學(xué)科，如科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理等，為學(xué)生拓展知識面和交叉融合提供了良好途徑[1]。此外增材制造技術(shù)授課必須考慮到增材制造技術(shù)快速發(fā)展，以及增材制造明顯的跨學(xué)科性質(zhì)[2]。與此同時，增材制造可以在新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)的創(chuàng)造中發(fā)揮其特殊能力。

當(dāng)前，我國正在由制造大國向制造強(qiáng)國加速轉(zhuǎn)變，打造國際先進(jìn)的制造業(yè)集群。增材制造技術(shù)是我國實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要發(fā)力點(diǎn)和支撐點(diǎn)。目前我國增材制造相關(guān)領(lǐng)域正在以年增40%的速度高速發(fā)展，這將需要大約1000 萬增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用型技術(shù)人才。由此可知，增材制造技術(shù)及相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展對高校培養(yǎng)增材制造領(lǐng)域相關(guān)人才提出了更高的要求，對推動國內(nèi)高校先進(jìn)制造學(xué)科發(fā)展和專業(yè)教學(xué)進(jìn)步起到促進(jìn)作用。

相比之下，中國（大陸地區(qū)）的高校在增材制造領(lǐng)域開設(shè)課程較晚，相關(guān)教學(xué)資源和課程建設(shè)處在快速發(fā)展階段，如課程內(nèi)涵、教學(xué)素材、教學(xué)質(zhì)量、實驗環(huán)節(jié)等方面，仍存在巨大潛力。探討增材制造技術(shù)課程教學(xué)中的實踐應(yīng)用和授課思路，為新工科教學(xué)改革實踐提供有益參考。

1 增材制造技術(shù)課程建設(shè)與實踐

1.1 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)可以直接讀取結(jié)構(gòu)設(shè)計文件信息，獲得三維結(jié)構(gòu)的幾何形狀，提供定制化形狀的打印策略，典型增材制造技術(shù)和打印制備的結(jié)構(gòu)如圖1～2 所示[3]。增材制造方法已在各種工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展起來，包括汽車、船舶和航空航天工業(yè)、機(jī)械、微納制造、電子工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、人工組織。如今發(fā)展起來了多種增材制造技術(shù)，它們在原理、沉積技術(shù)及適用材料方面存在差異。增材制造技術(shù)有各種好處，包括更高的“設(shè)計自由度”，小批量、復(fù)雜零件的低成本，加工周期短，材料利用率高，設(shè)計風(fēng)險低。

圖1 典型增材制造方法

圖2 制備結(jié)構(gòu)

1.2 增材制造技術(shù)課程目標(biāo)

增材制造課程旨在向工程專業(yè)的學(xué)生教授增材制造的基礎(chǔ)知識，包括3D 打印技術(shù)、材料、力學(xué)性能和應(yīng)用。該課程的目標(biāo)是面向行業(yè)發(fā)展對先進(jìn)制造技術(shù)的需求，結(jié)合短流程開發(fā)和生產(chǎn)周期，學(xué)習(xí)課程涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和增材制造方法。在課程結(jié)束時，學(xué)生能夠描述增材制造技術(shù)的基本原理、優(yōu)勢和局限性；能為特定結(jié)構(gòu)和材料選擇響應(yīng)的增材制造工藝；分析出增材制造件缺陷、不規(guī)則和失效的原因；預(yù)估打印結(jié)構(gòu)性能；打印結(jié)構(gòu)的后處理技術(shù)。

2 增材制造技術(shù)課程探索與實踐

2.1 增材制造技術(shù)課程的教學(xué)模式

增材制造技術(shù)課程開始時，詳細(xì)介紹課程大綱和授課流程。課堂教學(xué)任務(wù)是詳細(xì)介紹主要的增材制造技術(shù)和材料選擇。針對一項增材制造技術(shù)，如選擇性激光熔覆、熔融沉積技術(shù)、噴墨打印技術(shù)，授課時長設(shè)計為兩個課時，同時讓學(xué)生接觸到與工藝相關(guān)的基本原理、選用材料、適用范圍和未來發(fā)展趨勢等。并介紹和討論不同增材制造技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用潛力。

增材制造技術(shù)課程容量或?qū)W生選課人數(shù)約為30人，以工程為導(dǎo)向的五步教學(xué)方式，致力于增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)知識和工業(yè)應(yīng)用，包括課堂教學(xué)、行業(yè)專家講座、實驗室培訓(xùn)以及3D 打印訓(xùn)練。

（1）課程的前12 周課堂教授常用的增材制造技術(shù)，包括：熔融沉積技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)、層壓物體制造、電噴打印技術(shù)和定向能沉積。學(xué)生們在課堂接受知識的同時還參加電噴打印技術(shù)的實驗，并接觸電噴打印技術(shù)的墨水配置、預(yù)處理、3D 打印和后期處理。

（2）經(jīng)過前12 周課堂教學(xué)后，每組學(xué)生（每組5名學(xué)生）可以選擇一個工程項目進(jìn)行實驗。任務(wù)打印一個基于電噴打印的微納結(jié)構(gòu)，涉及打印墨水的配置、結(jié)構(gòu)的設(shè)計（CAD 畫圖）、程序開發(fā)與參數(shù)調(diào)整，該實驗環(huán)節(jié)是打印微米尺度的聚合物線結(jié)構(gòu)。

（3）在第6 至第10 周之間實施專題講座，講座嘉賓一般為增材制造行業(yè)或?qū)W術(shù)圈內(nèi)，講座內(nèi)容主要向?qū)W生介紹增材制造發(fā)展動態(tài)、前言技術(shù)、與增材制造相關(guān)的材料表征技術(shù)分析打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測和未來標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）在課程的第13～15 周，實驗小組展示講解打印的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過前期實驗設(shè)計、打印材料選擇及實驗結(jié)構(gòu)分析，將實驗過程和實驗心得以PPT 的形式向?qū)W生展示。

（5）在課程第16 周和第17 周分析實驗測試結(jié)果：利用共聚焦顯微鏡和尺寸分析軟件。在第13 周至第14 周期間，從互聯(lián)網(wǎng)收集工業(yè)界和學(xué)術(shù)界專家的專題講座或教學(xué)。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面，向?qū)W生播放增材制造技術(shù)和初創(chuàng)企業(yè)進(jìn)入實際生產(chǎn)應(yīng)用（如航空航天、軌道交通、先進(jìn)傳感方面）所面臨的困難，讓學(xué)生了解增材制造技術(shù)適應(yīng)于加工什么特點(diǎn)的零件。

在課程結(jié)束時，對學(xué)生進(jìn)行問卷定性調(diào)查，調(diào)查問卷中包括：從當(dāng)前的增材制造課程中學(xué)到了什么？學(xué)到了什么有價值的工具？分組時團(tuán)隊選擇你的原因是什么？課程的缺點(diǎn)是什么？如何改進(jìn)？等問題。

2.2 課程實驗環(huán)節(jié)的探索

經(jīng)過課程的課堂教學(xué)，學(xué)生接觸到了選擇性激光燒結(jié)、噴墨打印、電噴打印、雙光子聚合等多種增材制造技術(shù)，掌握了不同技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍等。在課程實驗環(huán)節(jié)，同學(xué)們參加電噴打印，并接觸電噴打印技術(shù)的預(yù)處理、打印成型和結(jié)構(gòu)表征，電噴打印基本原理如圖3。每5 個學(xué)生為一組選擇實踐環(huán)節(jié)，實驗任務(wù)涉及機(jī)械設(shè)計和打印一個基于電噴打印的微納三維結(jié)構(gòu)，每組學(xué)生設(shè)計并打印結(jié)構(gòu)后，向同學(xué)們講解小組在打印過程中遇到的困難與心得。向?qū)W生介紹材料表征和力學(xué)測試，分析增材制造制備的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方法制備的在性能方面存在的差異，并分析其兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 電噴打印技術(shù)基本原理

在學(xué)生的實驗課環(huán)節(jié)中，學(xué)生以5 人一組的方式設(shè)計和打印微米尺度結(jié)構(gòu)，任務(wù)分工如圖4。為了讓學(xué)生更好做實驗，課堂上指導(dǎo)學(xué)生：開發(fā)和討論CAD模型；將CAD 模型轉(zhuǎn)換為STL 文件；軟件自動導(dǎo)入控制系統(tǒng)；配制相應(yīng)的打印溶液；選擇3D 打印參數(shù)；裝載打印材料和襯底，確定襯底在熱板上的位置；打印結(jié)構(gòu)和測量打印結(jié)構(gòu)的尺度特征。增材制造實驗環(huán)節(jié)側(cè)重于知識的綜合應(yīng)用，并為工程專業(yè)學(xué)生提供工程實習(xí)的機(jī)會，通過與項目、團(tuán)隊合作的互動來學(xué)習(xí)增材制造流程和專業(yè)技能。學(xué)生們被要求測量打印部件的主要尺寸，并根據(jù)CAD 模型將這些尺寸與可預(yù)測的尺寸進(jìn)行比較。

圖4 分組及任務(wù)分工

2.3 打印結(jié)果分析與總結(jié)

通過調(diào)整打印參數(shù)可以獲得不同尺寸的結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，3D 打印機(jī)性能和材料直接成形等關(guān)鍵參數(shù)是影響打印零件質(zhì)量。學(xué)生通過打印、觀察和表征部件，撰寫總結(jié)報告。針對小組撰寫的報告，教師會修改內(nèi)容，以提高學(xué)生的表達(dá)能力。如某小組對實驗結(jié)果總結(jié)：施加電壓對線寬影響的統(tǒng)計分析圖所示。可以看出，在較高的施加電壓下，減小打印溶液流量可以獲得較高的線結(jié)構(gòu)分辨率。當(dāng)外加電壓增大時，打印溶液表面的電剪切力增大，導(dǎo)致射流向基板移動速度加快，射流變短變細(xì)，從而導(dǎo)致打印特征尺寸減小。

圖5 微結(jié)構(gòu)尺寸分析

通過實驗總結(jié)報告及交流環(huán)節(jié)，學(xué)生們需要思考以下問題：這種結(jié)構(gòu)用增材制造技術(shù)制備是最好的選擇嗎？為什么？如何假設(shè)增材制造技術(shù)限制會影響打印對象的性能？影響打印結(jié)構(gòu)的缺陷的主要原因是什么，為什么會出現(xiàn)缺陷？如何改進(jìn)工藝以減少或消除缺陷？打印結(jié)構(gòu)的哪些特征對其功能至關(guān)重要？打印件尺寸特征是否與設(shè)計值一致？如何重新設(shè)計以保證改進(jìn)的質(zhì)量和功能？

3 結(jié)語

利用增材制造技術(shù)制備復(fù)雜、小批量的3D 結(jié)構(gòu)是目前最優(yōu)選之一。因此，增材制造作為具有巨大潛力和商業(yè)價值的先進(jìn)工藝受到了極大的關(guān)注，它被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用，其中包括教育、醫(yī)療植入物和設(shè)備、汽車零部件、航空航天和飛機(jī)部件、比例建筑模型、珠寶和藝術(shù)品等。增材制造技術(shù)的日益普及巨大市場需求需要創(chuàng)新的授課方式。因此，教授工程學(xué)生增材制造課程，是新工科背景下高校教改的一項工作。在探索增材制造課程授課方式，包括增材制造的基礎(chǔ)知識，主要3D 打印方法，材料選擇和增材制造的潛在工業(yè)應(yīng)用。實驗作為增材制造課程的重要環(huán)節(jié)，分組開發(fā)和3D 打印零件，并分析不同增材制造技術(shù)的優(yōu)勢與適應(yīng)度，有助于培養(yǎng)工科學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力。此外，增材制造課程及涉及到的打印裝置、材料、程序、控制和結(jié)構(gòu)表征，提供了一個交叉融合的掌握多學(xué)科知識的工具，涉及到創(chuàng)造力、與其他學(xué)生的互動和交流，它為學(xué)生和教師提供了一個創(chuàng)新授課方式的途徑，有助于學(xué)生將想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，利于激勵他們參與工程難題和復(fù)雜的任務(wù)。