增材制造在材料專業(yè)教學(xué)與實踐中的應(yīng)用探討

劉桐 鹿憲珂 劉琪 冒國兵

[摘 要] 增材制造技術(shù)已經(jīng)成為材料成形的一種重要方式，在材料工程應(yīng)用中起到了重要作用。增材制造技術(shù)在高等院校材料工程類專業(yè)中的應(yīng)用，既可以豐富課程體系，又可以促進大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計與實踐應(yīng)用。從材料工程類課程教學(xué)改革方向、專業(yè)學(xué)科方向與學(xué)科交流、材料工程類專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及增材制造技術(shù)在材料工程專業(yè)應(yīng)用等四個方面，探討了增材制造技術(shù)在高等院校材料工程類專業(yè)教學(xué)與實踐中的應(yīng)用方向，為材料工程類專業(yè)在增材制造方向的教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 增材制造技術(shù);材料工程專業(yè);教學(xué)改革;實踐應(yīng)用

[基金項目] 2019年度安徽省教學(xué)研究重點項目“成果導(dǎo)向的教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控機制建立與改進——以安徽工程大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)為例”（2019jyxm1155）;2016年度安徽省教學(xué)研究重點項目“以提高材料類專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力為目標的實踐教學(xué)體系構(gòu)建與保障能力建設(shè)”（2016jyxm0090）;2018年度校級新工科示范專業(yè)（方向）項目“材料科學(xué)與工程專業(yè)增材制造專業(yè)方向”（2018xgksfzy01）

[作者簡介] 劉 桐（1988—），男，安徽宿州人，博士，安徽工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事金屬材料增材制造研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0077-04? ?[收稿日期] 2020-12-03

增材制造技術(shù)是基于離散—堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術(shù)的內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也在不斷擴展。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具及復(fù)雜的加工工序就能在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)零件的“自由制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的作用就越顯著。

增材制造技術(shù)是近年來發(fā)展迅速、進步較快的先進制造工藝技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶重工、模具制造、汽車輕量化、醫(yī)療等領(lǐng)域[1，2]。《中國制造2025》中明確指出，要加快增材制造技術(shù)和增材制造高端裝備的研發(fā)。增材制造技術(shù)已入選工信部《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》。同時，隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐漸擴大，推動了國內(nèi)高校相關(guān)科學(xué)研究、專業(yè)教學(xué)的發(fā)展與改革。

在高等院校中，材料工程類專業(yè)一般涉及材料成型及控制工程、材料科學(xué)與工程、金屬材料工程等相關(guān)專業(yè)，根據(jù)每個學(xué)校的建設(shè)背景及辦學(xué)方向，各學(xué)校的這一專業(yè)也會有不同的專業(yè)方向，開設(shè)不同的專業(yè)課程。這些專業(yè)大都以材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)金屬、高分子等材料學(xué)與工程方面的知識，培養(yǎng)既有扎實理論基礎(chǔ)，又有較強的工程實踐和創(chuàng)新能力的人才。增材制造技術(shù)是一種涉及多材料、多技術(shù)的廣義技術(shù)稱呼，相對傳統(tǒng)的減材制造而提出的名詞。作為新時代高等院校的專業(yè)教師，特別是材料工程專業(yè)的教師，應(yīng)時刻接觸最前沿的信息技術(shù)，根據(jù)自身的教學(xué)特點，并結(jié)合增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，將其逐漸融入教學(xué)和科研工作，提高教學(xué)質(zhì)量，促進教學(xué)改革[3，4]。

在材料工程類專業(yè)課教學(xué)中，通過對增材制造技術(shù)中所涉及的材料制備、材料增材過程中的制造和成形現(xiàn)象與傳統(tǒng)材料成形過程進行對比教學(xué)講解，可以使課堂教學(xué)更加生動，提高學(xué)生對增材制造技術(shù)的認知與理解。在材料工程類專業(yè)實訓(xùn)過程中，增加增材制造技術(shù)的實訓(xùn)，可以使學(xué)生對先進增材制造技術(shù)有直觀的認知，培養(yǎng)出緊跟先進制造技術(shù)的工程技術(shù)人才，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的趣味性與積極性。本文旨在探討增材制造技術(shù)在材料工程類專業(yè)中的教學(xué)改革與實踐應(yīng)用。

一、增材制造技術(shù)在材料工程類專業(yè)教學(xué)改革中的應(yīng)用

（一）豐富課程體系，為課程教學(xué)提供支持

增材制造技術(shù)涉及機電、材料、電氣等多學(xué)科內(nèi)容，屬于多學(xué)科交叉性系統(tǒng)，在選區(qū)激光熔化技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)，以及電弧等離子送絲等金屬增材制造領(lǐng)域，金屬材料的增材制造過程所使用的原材料需要達到冶金結(jié)合，才能形成致密可使用的金屬零部件。在金屬原材料的冶金結(jié)合過程中涉及材料工程專業(yè)課的材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成型原理、傳熱學(xué)等相關(guān)課程的基本理論與實踐內(nèi)容。在此類相關(guān)課程的教學(xué)過程中，利用增材制造技術(shù)可提高課堂教學(xué)的直觀性，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[5]。因此，利用增材制造理論與成型技術(shù)，可以為材料工程類專業(yè)的教學(xué)提供支持，豐富教學(xué)課程體系。

在“材料成型原理”教學(xué)中，在講授金屬液態(tài)成形原理涉及焊縫金屬溫度場與凝固時，其中焊接熔池具有加熱速度快、峰值溫度高、冷卻速度快等特點，與選區(qū)激光熔化過程中的粉末床中的金屬粉末的加熱熔化與凝固特點較為接近，因此在講授焊接熔池熔凝特點時，可以在介紹焊接熔池特點時與金屬增材制造過程中形成的熔池特點的相似性與不同點進行類比介紹與講解。同樣在講授“焊接質(zhì)量控制與檢驗”課程時，焊接質(zhì)量的檢驗與增材制造零部件的檢驗檢測具有多方面的相似點和不同點。

在傳統(tǒng)鑄、鍛、焊工藝成形原理的講授過程中，通過增添新型增材制造技術(shù)成形原理的介紹，對傳統(tǒng)加工制造工藝與新型增材制造技術(shù)進行類比介紹與講解，一方面使學(xué)生了解增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)加工、熱成型技術(shù)的相關(guān)性;另一方面加深學(xué)生對新型智能制造技術(shù)的了解，培養(yǎng)學(xué)生對制造業(yè)的認識與興趣。

（二）完善材料工程類專業(yè)的學(xué)科方向，促進學(xué)科交流

目前，一般院校的材料工程類專業(yè)方向多為鑄造、焊接、鍛壓或模具等傳統(tǒng)制造業(yè)的加工成形技術(shù)。近年來，我國互聯(lián)網(wǎng)、計算機及金融證券等行業(yè)快速發(fā)展，這些行業(yè)在對高校畢業(yè)生具有較大的吸引力，從而使傳統(tǒng)制造業(yè)相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生對本專業(yè)失去了認同感。例如，材料工程專業(yè)的部分學(xué)生在進入大學(xué)以后，對本專業(yè)所學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)鑄鍛焊技術(shù)原理逐漸失去興趣，進入社會之后從事與材料工程不相關(guān)的工作。因此，有必要在材料工程類專業(yè)中開設(shè)新的適應(yīng)我國制造業(yè)發(fā)展的專業(yè)方向，為新興制造業(yè)、智能制造的發(fā)展提供人才支持，完善材料工程類專業(yè)的學(xué)科方向。