結(jié)合3D 打印對(duì)鑄造實(shí)踐教學(xué)的探索與改進(jìn)

楊 兵，楊 靜，馬宇超，楊 旭，武國(guó)瑞，陳 磊

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧沈陽(yáng) 110136）

隨著社會(huì)及工業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，具有高素質(zhì)的綜合性工程人才越來(lái)越受到重視，而各高校工程訓(xùn)練作為培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的重要實(shí)踐授課環(huán)節(jié)，既為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐提供了重要?jiǎng)?chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)平臺(tái)，又為其他專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工程素質(zhì)提升提供了教育教學(xué)場(chǎng)所[1]。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神發(fā)揮著重要作用[2]。

鑄造實(shí)訓(xùn)作為工程訓(xùn)練中傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目之一，由于理論知識(shí)抽象、工藝復(fù)雜、操作繁瑣等因素的影響，一直是實(shí)訓(xùn)課程中較難掌握的項(xiàng)目。也正是由于上述因素的影響，造成了學(xué)生對(duì)鑄造實(shí)訓(xùn)課程不感興趣，容易產(chǎn)生倦怠情緒。但鑄造技術(shù)作為制造復(fù)雜零件最靈活、最有效的加工手段一直是現(xiàn)代制造業(yè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[3]，所以如何改進(jìn)現(xiàn)有鑄造實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式及方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神是本文探討的主旨所在。

1 鑄造實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

1.1 工程訓(xùn)練及鑄造實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀分析

中美貿(mào)易戰(zhàn)火持續(xù)不斷，美國(guó)一紙禁令將中興推入危機(jī)旋渦之中，同時(shí)也引發(fā)了關(guān)于自主創(chuàng)新的深思。培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才已成為國(guó)內(nèi)各高校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)[4]。各高校工程訓(xùn)練作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維的高校重要實(shí)踐課程，越來(lái)越受到各高校的重視，而傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)模式是否能順應(yīng)潮流，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維，則受到了大多數(shù)人的質(zhì)疑，傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練一直延續(xù)“講學(xué)做”教學(xué)模式，老師講課學(xué)生聽(tīng)講，老師演示學(xué)生模仿，這樣的傳統(tǒng)授課模式學(xué)生往往是機(jī)械的模仿，在頭腦當(dāng)中印象不深，而且工程訓(xùn)練往往是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)工種的實(shí)訓(xùn)，這樣的實(shí)訓(xùn)過(guò)程學(xué)生往往只是流于形式。教學(xué)模式的陳舊只是現(xiàn)在工程訓(xùn)練弊端的主要方面，其他方面的弊端也不同程度的制約著工程訓(xùn)練的發(fā)展。

而作為工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的一部分，鑄造實(shí)訓(xùn)的教學(xué)也面臨著同樣的問(wèn)題，現(xiàn)階段鑄造實(shí)訓(xùn)分為基礎(chǔ)實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐兩個(gè)部分，基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要是使學(xué)生初步接觸生產(chǎn)實(shí)際中較系統(tǒng)的操作，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，結(jié)合理論教學(xué)，獲得傳統(tǒng)和現(xiàn)代鑄造基本操作技能，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)制造工作建立實(shí)踐基礎(chǔ)。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，加深對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)代機(jī)械加工的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力以及綜合工程意識(shí)，鑄造基礎(chǔ)及創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)安排情況如表1。

表1 鑄造基礎(chǔ)及創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)安排情況

1.2 鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

傳統(tǒng)鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)主要是教師講解鑄造相關(guān)理論知識(shí)及演示指導(dǎo)，學(xué)生理解鑄造實(shí)訓(xùn)的相關(guān)理論知識(shí)，掌握鑄造生產(chǎn)的工藝流程，熟悉鑄造生產(chǎn)的實(shí)際操作方法，鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)模式如圖1。

目前鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)模式比較單一，還是傳統(tǒng)的“講學(xué)做”模式，老師講解理論知識(shí)，演示操作過(guò)程，學(xué)生機(jī)械的去學(xué)習(xí)、去模仿[5]，往往學(xué)生對(duì)這種教學(xué)模式提不起學(xué)習(xí)興趣，不能真正的融入其中；其次鑄造實(shí)訓(xùn)的理論知識(shí)比較抽象，而進(jìn)行實(shí)訓(xùn)的學(xué)生都未進(jìn)行過(guò)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，這樣就造成了課程結(jié)束學(xué)生還是停留在對(duì)鑄造工種剛剛了解的階段，達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)的目的。

1.3 鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式為3～4 名學(xué)生為一組，自主構(gòu)思并設(shè)計(jì)符合手工砂型鑄造生產(chǎn)要求的作品，并完成圖紙的繪制、手工造型方法的選擇及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖紙完成木質(zhì)或者泡沫的模樣，利用制作完成的模樣及設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)選擇合理的手工造型方法，以完成手工砂型鑄造造型過(guò)程。制作出砂質(zhì)鑄型模具，之后進(jìn)行金屬液的熔煉及澆注，最后對(duì)鑄造作品進(jìn)行清整，分析成敗原因，整個(gè)過(guò)程教師巡回指導(dǎo)。鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式如圖2。

圖1 傳統(tǒng)鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)模式

圖2 鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)以手工砂型鑄造為基礎(chǔ)，整個(gè)工藝過(guò)程長(zhǎng)而復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失敗都會(huì)對(duì)最終作品的成敗造成影響，尤其是木質(zhì)或泡沫模樣的質(zhì)量直接影響作品的成敗，現(xiàn)階段木質(zhì)或泡沫模樣主要是學(xué)生手工制作，這樣不但制作時(shí)間長(zhǎng)，而且模樣的質(zhì)量也得不到保證，往往導(dǎo)致模樣的制作環(huán)節(jié)浪費(fèi)了大量的時(shí)間及精力，又或者質(zhì)量不合格影響了接下來(lái)的工藝過(guò)程，這樣直接影響學(xué)生鑄造的積極性；而手工砂型鑄造單調(diào)而又傳統(tǒng)的操作過(guò)程又影響了學(xué)生們的熱情。最終的結(jié)果常常導(dǎo)致學(xué)生們退而求其次，半途而廢或者最終作品失敗，使得整個(gè)鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量大大降低。

2 鑄造實(shí)踐教學(xué)的改進(jìn)與成果展示

針對(duì)上述鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題，不難發(fā)現(xiàn)改進(jìn)傳統(tǒng)的鑄造實(shí)踐教學(xué)模式是提高其教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)學(xué)生的信息反饋及對(duì)鑄造實(shí)踐教學(xué)模式的不斷探索，我們發(fā)現(xiàn)把現(xiàn)代的3D 打印技術(shù)結(jié)合到傳統(tǒng)的鑄造實(shí)踐教學(xué)模式中是解決鑄造實(shí)踐教學(xué)存在問(wèn)題的有效途徑。3D 打印技術(shù),亦稱(chēng)增材制造（Add material manufacture）技術(shù)，其原理是由三維軟件設(shè)計(jì)模型,不需要傳統(tǒng)刀具、夾具和機(jī)床，通過(guò)打印機(jī)軟件將創(chuàng)建的模型分成若干個(gè)二維層面,然后將材料通過(guò)打印機(jī)噴嘴逐層堆積,就可以打造出任意形狀,最終形成3D 物件成品[6]。3D 打印技術(shù)由于其可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件及無(wú)需模具的優(yōu)點(diǎn)，自20 世紀(jì)90年代起已廣泛應(yīng)用到傳統(tǒng)鑄造領(lǐng)域中[7]，并隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展及其與鑄造技術(shù)的進(jìn)一步磨合，使3D 打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)入到了全新的階段[8]，而這次把現(xiàn)代3D 打印技術(shù)結(jié)合到傳統(tǒng)鑄造實(shí)踐教學(xué)中是對(duì)3D 打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域應(yīng)用的延伸探索。

2.1 鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)與成果

首先改進(jìn)鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)理論授課環(huán)節(jié)的講解方式，針對(duì)理論授課環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，利用3D 打印技術(shù)制作所用教具如圖3 所示，使學(xué)生更加直觀了解鑄造相關(guān)知識(shí)，提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣；其次改進(jìn)傳統(tǒng)動(dòng)手實(shí)踐操作授課環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)操作環(huán)節(jié)為教師指定單一模樣進(jìn)行手工砂型鑄造造型操作，學(xué)生熱情不高，缺乏創(chuàng)新性，由于基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)長(zhǎng)，教師可提前設(shè)計(jì)并打印出多種符合整箱、挖砂及分模造型方式的砂型鑄造模樣（如圖4）。同時(shí)學(xué)生在3D 打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)中學(xué)習(xí)3D 打印相關(guān)知識(shí)，并完成各種模樣的三維制圖練習(xí)，之后在鑄造實(shí)踐教學(xué)中選取任意3D 打印模樣，并根據(jù)不同模樣選擇不同造型方式，進(jìn)行砂型鑄造造型實(shí)操環(huán)節(jié)，這樣大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

圖3 鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)演示用教具

圖4 部分3D 打印制作的模樣

把3D 打印實(shí)踐教學(xué)和鑄造實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的新教學(xué)模式培養(yǎng)了學(xué)生們的工程意識(shí)，使學(xué)生們不再是以點(diǎn)來(lái)看工程問(wèn)題，同時(shí)這種教學(xué)模式使學(xué)生在更好地理解3D 打印和鑄造的相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，為創(chuàng)新實(shí)踐課程的順利進(jìn)行奠定了扎實(shí)的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，改進(jìn)后的鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)模式如圖5。

2.2 鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)成果

基于鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)也進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式如圖6。首先改進(jìn)模樣的制作方式，采用3D 打印技術(shù)替代手工制作方式，設(shè)計(jì)并打印出符合手工砂型鑄造的模樣，大大縮短了模樣的制作周期，并提高了模樣的質(zhì)量；其次更換傳統(tǒng)型砂，采用水玻璃砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘土砂進(jìn)行造型，提高砂質(zhì)模具的質(zhì)量；最后改進(jìn)熔煉及澆注方式，采用真空中頻熔煉爐替代傳統(tǒng)可傾式坩堝爐完成金屬液的熔煉及澆注，這樣縮短熔煉時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)金屬液質(zhì)量及澆注安全方面的問(wèn)題也得到了顯著的提升，鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)學(xué)生作品展示如圖7。

圖5 改進(jìn)后的鑄造基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)模式

圖6 改進(jìn)后的鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

圖7 鑄造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)學(xué)生作品展示

3 結(jié)合3D 打印的鑄造實(shí)踐教學(xué)改革的意義

對(duì)鑄造實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行上述一系列教學(xué)改革,產(chǎn)生了積極的作用。

首先，學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情和積極性有了大幅度的提高，學(xué)生能夠更好地理解鑄造實(shí)訓(xùn)的相關(guān)知識(shí)，改進(jìn)前學(xué)生被“填鴨式”灌輸鑄造理論知識(shí)，機(jī)械的模仿老師的操作，很難在學(xué)生的頭腦中留下深刻的印象，而改進(jìn)后學(xué)生們能很好地參與到整個(gè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中來(lái)，由被動(dòng)教變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)，鑄造及3D 打印相關(guān)知識(shí)就會(huì)在頭腦中留下深刻印象。

其次，把3D 打印技術(shù)結(jié)合到鑄造實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，使學(xué)生不再是以單一工種來(lái)看工程問(wèn)題，而是以線或面來(lái)看我們的工程問(wèn)題，真正的工程制造從來(lái)不是單一工種、單一加工方式的生產(chǎn)，都是各種加工方式及各個(gè)工種協(xié)同生產(chǎn)，而工程訓(xùn)練課程往往是把每個(gè)工種割裂開(kāi)來(lái)的，每一個(gè)工種在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單獨(dú)授課，這樣就會(huì)使學(xué)生造成錯(cuò)誤的理解，認(rèn)為每一個(gè)工種之間沒(méi)有必然聯(lián)系或者聯(lián)系不緊密。而通過(guò)此次教學(xué)改進(jìn)，就能很好地讓學(xué)生們知道零件的加工是各工種相互配合、環(huán)環(huán)相扣的，這樣就很好地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合工程實(shí)踐能力及意識(shí)。

效率的提升也為課程后續(xù)安排提供了充足的時(shí)間，改進(jìn)前由于時(shí)間的關(guān)系，我們只能由老師來(lái)進(jìn)行最后的總結(jié)，這樣學(xué)生積極性不是很高，通過(guò)改革教學(xué)提高效率，可以要求每位學(xué)生都總結(jié)鑄造作品成敗的原因，并進(jìn)行匯總，之后各組互評(píng)，最后老師點(diǎn)評(píng)，不但分析作品成敗的原因，還對(duì)鑄件作品產(chǎn)生的鑄造缺陷進(jìn)行了分析，擴(kuò)展學(xué)習(xí)了特種鑄造及現(xiàn)代鑄造發(fā)展趨勢(shì)的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生對(duì)鑄造相關(guān)知識(shí)掌握的更加全面系統(tǒng)。

同時(shí)教學(xué)改革對(duì)實(shí)訓(xùn)教師本身也是學(xué)習(xí)鍛煉的機(jī)會(huì)，使鑄造實(shí)訓(xùn)教師對(duì)3D 打印相關(guān)知識(shí)有了很大程度的了解。

4 結(jié)語(yǔ)

利用3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)，具有一定的創(chuàng)新性與突破性[9]。新的教學(xué)模式經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行與改進(jìn)實(shí)踐，最終達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的既定目標(biāo)，能夠使學(xué)生更好掌握鑄造實(shí)訓(xùn)相關(guān)知識(shí)，理解工程概念，為學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。