基于增材制造技術的數字化制造教學改革與實踐

王葉松?方喜峰

摘要：傳統機械制造實踐教學以軸類、箱體類加工制造為主，無法適應“新工科”背景下國家對復合型人才的需求。基于“互聯網技術+反求工程技術+3D打印+虛實結合技術”，建立了復雜零件數字化制造的創新實踐課程，探究了教育數字化建設過程中教與學的模式創新問題。以設計周期長、加工難度大的復雜曲面葉輪為授課對象，開展了數字化制造的實驗教學內容。通過課程目標達成度和課程質量評價問卷結果分析，表明數字化教學改革取得了預期效果。

關鍵詞：3D打印；數字化制造；教學改革

一、前言

近年來財政部、國家發改委、教育部多次召開“雙一流”建設推進會，提出要深入實施教學數字化戰略行動，促進我國高等教育理念變革、思想變革、方法變革、實踐變革，形成教育與科研的中國新模式。在教育數字化轉型背景下，高校課程建設需強化信息化、智能化技術與高等教育深度融合，解決好教與學模式創新問題[1]。

劉基盛等人基于“三位一體”數字制造實驗平臺為企事業單位和高等院校的教育數字化轉型提供了理論基礎和建設方案，有助于機械設計與制造行業創新復合型人才的培養。Corinna Engelhardt-Nowitzki 等人通過數字化工廠形象生動講授了機器人技術和智能制造技術的跨學科實踐教學案例[2]。

目前數字化制造實踐課程的建設仍處于起步探索階段，傳統機械制造實踐教學以軸類、箱體類加工制造為主，無法適應“新工科”背景下國家對復合型人才的需求，距教育數字化轉型的目標差距較大，對傳統的機械制造實踐教學進行數字化改革具有重要意義。

二、數字化制造技術與教學方法

機械制造類實踐是工科院校必修課，以簡單零件的設計加工制造為主構建的傳統課程知識體系已不能適應教育數字化轉型需求。為增強課程深度、改善教學質量、實施先進的數字化制造技術，引入重大工程應用背景的復雜零件為授課對象，如廣泛應用于航空航天、能源和國防工業的航空結構件、燃氣輪機葉片、船舶螺旋槳等，這些產品直接關系到國民經濟和國防安全，反映了國家重大戰略需求，其制造水平體現了國家制造業的核心競爭力。

（一）復雜零件數字化制造課程內容

復雜零件具有表面不規則、精度要求高、制造難度大等特點，為了實現復雜零件的加工制造，需采用先進的數字化制造技術[3]。基于“互聯網技術+反求工程技術+3D打印+虛實結合技術”，建立了復雜零件的數字化制造實踐課程，構建了創新實踐教學的知識體系架構，如圖1所示，培養新工科背景下的高素質創新型人才。

（二）復雜零件數字化制造實踐教學實施模式

基于國際主流的OBE教育改革理念和CDIO教學模式，開展復雜零件數字化制造創新實踐教學構思、設計、實施和運行4個環節，如圖2所示[4]。

三、數字化制造實踐平臺

為了順利開展復雜零件的數字化制造實踐課程，利用“互聯網技術+反求工程技術+3D打印+虛實結合技術”，構建了數字化制造實踐教學平臺。

反求工程技術實踐平臺包括三維激光掃描儀（見表1）、三維點云優化軟件Geomagic Design 和三維設計軟件UG等[5]。

如圖3所示，先利用UG等制圖軟件建立加工零件的實體模型，導出STL或OBJ格式3D打印模型，將其導入切片軟件，設置工藝參數，生成可執行的G代碼，將代碼導入軟件進行模擬加工，確認加工軌跡無誤后可進行現場加工[6]。虛實結合實踐教學平臺的建立減少了資金成本，解決了臺套數不足、學生操作時間受限等問題，同時保證了人身和機器的安全，實現了綠色制造，激發了學生探索意識和實際動手能力，有利于高校數字化制造的人才培養。

四、教學案例及課程評價

（一）三維實物掃描及逆向設計

首先，基于反求工程技術，采用三維掃描儀對燃料電池實物葉輪進行掃描獲取點云數據。其次，利用Geomagic Design X進行優化處理得到數字化模型，主要包括數據精簡、點云去噪、數據封裝、填補缺少孔、去除特征、砂紙打磨、曲面生成等步驟，得到數字化三維教學模型[7]。

（二）3D數控打印

將得到的綠色數字化模型導入NX等建模軟件進行正向建模，然后導出為STL格式模型，將STL模型導入切片軟件，基于打印工藝設定打印溫度、打印速度、打印層高等參數，生成復雜葉輪的3D打印軌跡并生成打印G代碼，如圖4所示。

（三） 應用效果及評價

采用了無記名評價問卷方式對課程質量進行評價，內容主要包括五項評價標準：學生學習指導、學生學習態度與方法、教師授課、目標達成情況，教學改革與學生期許，如圖5（a）所示。培養目標如圖5（b）所示。

五、結語

基于增材制造技術開展的數字化制造教學改革，取得了一定成果。學生理解和掌握了復雜零件數字化制造的新理論、新方法、新技術和新工藝，有效發揮了實踐教學在培養學生實踐和科學創新能力中的作用。數字化制造實踐教學平臺可為高校師生提供創意、創新、創業的數字化創新設計服務，目前已經應用到學生科技創新競賽，指導本科生、研究生完成畢業課題等教學、科研、實驗工作中。

參考文獻

[1]蘭萬里，范凡.“十四五”期間高校數字化建設——以北京化工大學數字化建設為例[J].信息系統工程，2023（11）：97-100.

[2]劉基盛，譚自強，李威，等.“三位一體”數字化制造實驗平臺設計與研究[J].制造技術與機床，2023（03）：94-100.

[3]韓筠.“互聯網+”時代教與學的新發展[J].中國大學教學，2019（12）：4-7.

[4]王曉瑩.基于OBE理念的“嵌入式系統設計”課程教學改革研究 [J].信息系統工程，2023（12）：173-6.

[5]李峰，孫廣通，劉文龍，等.適應創新人才培養的三維激光實驗教學模式探究[J].實驗室研究與探索，2019，38（04）：188-92.

[6]劉基盛，王葉松，李威，等.連續碳纖維增強復合材料3D打印噴頭設計與實驗分析[J].制造技術與機床，2023，（04）：56-63.

[7]劉基盛，計良，李威，等.基于FFD方法的離心壓氣機葉片優化設計與試驗[J].排灌機械工程學報，2023，41（04）：354-62.

基金項目：1.江蘇省教育科學“十四五”規劃課題項目（項目編號：D/2021/01/102）；2.江蘇科技大學2023年度研究生教育教學改革研究課題重點項目（項目編號：YJG2023Z_01）

作者單位：江蘇科技大學機械工程學院

責任編輯：王穎振、周航