增材制造技術(shù)在智能制造專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用思考

錢波 樊紅日

摘 要：當(dāng)前中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)正處在新一輪技術(shù)革命周期的起點(diǎn)上，高校機(jī)械工程智能制造專業(yè)教學(xué)需主動(dòng)面向該行業(yè)和領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)開展理論知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)。增材制造技術(shù)作為新一代先進(jìn)制造技術(shù)，在生物工程、醫(yī)學(xué)工程、航空航天、汽車模具、新材料研制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。面對(duì)智能制造專業(yè)跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)要求，將增材制造技術(shù)與原理融入并應(yīng)用到智能制造專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，需遵循教學(xué)規(guī)律、發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)、通過多種渠道和方法進(jìn)行積極探索、以創(chuàng)新實(shí)踐和技術(shù)應(yīng)用為抓手，整體提升智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)效果和教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：增材制造;智能制造;專業(yè)教學(xué);先進(jìn)制造;實(shí)踐教學(xué)

目前世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)都將目光投向了下一代生產(chǎn)制造模式——智能制造，在新經(jīng)濟(jì)工業(yè)時(shí)代，智能制造必將成為未來(lái)主要的一種生產(chǎn)模式[1]。因此對(duì)于智能制造專業(yè)的培養(yǎng)和教學(xué)的目標(biāo)有必要進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和梳理，該專業(yè)主要學(xué)習(xí)智能制造技術(shù)與智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)，特別是基于5G、VR/AR、AI、機(jī)器人為代表的新興技術(shù)發(fā)展方向，智能制造專業(yè)與之結(jié)合可顯著提升制造的智能化程度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化綠色高效生產(chǎn)[3]。

目前中國(guó)作為世界新的制造中心，正在從制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)，亟需智能制造工程相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人才[4]。為了抓住這一重大歷史機(jī)遇，我國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”計(jì)劃，重點(diǎn)發(fā)展智能制造技術(shù)，重塑我國(guó)制造業(yè)新優(yōu)勢(shì)[2]。主要培養(yǎng)具有智能制造領(lǐng)域交叉學(xué)科背景的系統(tǒng)級(jí)人才，具備從事智能制造系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理等方面工作的能力。由于增材制造技術(shù)集材料科學(xué)、機(jī)械工程、信息技術(shù)、化學(xué)科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)于一體，其專業(yè)知識(shí)涵蓋光學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、軟件與算法編程等諸多方面，可作為智能制造專業(yè)的堅(jiān)實(shí)載體開展基礎(chǔ)理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)培養(yǎng)。

充分利用當(dāng)前較為成熟的三類增材制造工藝：金屬材料增材制造工藝（包括選擇性激光熔化增材制造、激光凈近成形增材制造、激光熔覆增材制造）、高分子材料增材制造工藝（包括選擇性激光燒結(jié)、多射流熔融噴射、三維噴印成型）、樹脂材料增材制造工藝（包括激光立體光刻SLA、數(shù)字光照處理DLP，連續(xù)界面液體制造CLIP），結(jié)合三維逆向掃描技術(shù)，讓學(xué)生充分參與應(yīng)用這三類制造工藝，完成從概念提出-模型設(shè)計(jì)-材料選擇-工藝擬定-制造監(jiān)控-性能分析-功能驗(yàn)證等整個(gè)環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)多種開放性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)，提出創(chuàng)新思路，利用增材制造技術(shù)結(jié)合聲-光-電-磁新型應(yīng)用場(chǎng)景，重復(fù)考慮工藝性，滿足不斷迭代、不斷完善、不斷改進(jìn)的制造目標(biāo)，發(fā)揮增材制造具有快速設(shè)計(jì)、快速迭代、快速應(yīng)用、柔性制造的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別等進(jìn)化算法，引導(dǎo)學(xué)生使用該技術(shù)參加科創(chuàng)比賽，提高該專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

2.1 基礎(chǔ)知識(shí)普及

基礎(chǔ)知識(shí)通過增材制造課程教學(xué)，使學(xué)生了解什么是增材制造技術(shù)、增材制造技術(shù)的原理和工藝，了解增材制造的裝備與工藝過程的控制、分析，增材制造設(shè)備各個(gè)功能模塊的組成部分和工作原理，增材制造零件性能的分析、檢測(cè)，具備初步的增材制造技術(shù)的應(yīng)用能力;同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的新知識(shí)、新材料、新技術(shù)和新工藝等有較全面的了解。采用啟法式教學(xué)，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)增材制造成型與制造中各知識(shí)點(diǎn)的理解、體會(huì)和認(rèn)識(shí)，并通過課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生系統(tǒng)的掌握增材成型與智能制造工藝的基本原理和基本知識(shí)。

特別是結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法和算法應(yīng)用在增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化、工藝智能規(guī)劃、過程監(jiān)測(cè)、閉環(huán)反饋、性能強(qiáng)化等過程環(huán)節(jié)中，提升增材制造產(chǎn)品的性能和精度，實(shí)現(xiàn)更柔性更高效的功能應(yīng)用。

2.2 實(shí)踐應(yīng)用引導(dǎo)

以開放實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用背景，增加反映增材制造領(lǐng)域研究前沿的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生的科研能力及創(chuàng)新能力。例如關(guān)于模型拓?fù)鋬?yōu)化上，可采用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件與拓?fù)鋬?yōu)化算法相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)模型輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo);在燃油噴嘴打印案例中，讓學(xué)生系統(tǒng)了解到高溫合金材料性能特點(diǎn)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、金屬3D打印工藝特點(diǎn)和制造標(biāo)準(zhǔn);在頭蓋骨打印和醫(yī)學(xué)示范中，讓學(xué)生系統(tǒng)了解到樹脂材料的增材制造原理，并講解其在醫(yī)學(xué)術(shù)前模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用價(jià)值，提高醫(yī)學(xué)手術(shù)的精準(zhǔn)性和預(yù)判性;在合金鋼材料的模具打印與試制中，可讓學(xué)生了解到工業(yè)模具的設(shè)計(jì)、快速試制與快速驗(yàn)證等行業(yè)知識(shí)，并在注塑機(jī)上進(jìn)行試用，得到塑料制品和功能零件。

總之，通過實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)的指導(dǎo)和培養(yǎng)，可讓學(xué)生進(jìn)一步掌握和了解智能制造在工業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍，提升學(xué)生對(duì)本專業(yè)的興趣。

2.3個(gè)性化培養(yǎng)提高

利用增材制造技術(shù)載體，面向智能制造專業(yè)知識(shí)內(nèi)涵，學(xué)生可根據(jù)自己興趣和愛好通過多個(gè)環(huán)節(jié)不同任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化知識(shí)的理解、培養(yǎng)和提高。首先，對(duì)標(biāo)智能制造數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造范疇，學(xué)生可根據(jù)自身能力開展面向增材制造的數(shù)字化設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)等并利用SLA、3DP、FDM等3D打印方法進(jìn)行快速打印，驗(yàn)證反饋設(shè)計(jì)的優(yōu)劣和功效。其次，對(duì)標(biāo)人工智能范疇，學(xué)生可針對(duì)當(dāng)前增材制造工藝的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)快速擬定、實(shí)時(shí)優(yōu)化增材制造工藝，解決SLS、SLM等3D打印工藝的工藝優(yōu)化和工藝適應(yīng)性問題。再者，對(duì)標(biāo)大數(shù)據(jù)和智能監(jiān)控知識(shí)范疇，學(xué)生可針對(duì)當(dāng)前增材制造工藝普遍缺乏數(shù)據(jù)庫(kù)問題，開發(fā)應(yīng)用過程數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通等軟件和技術(shù)，解決增材制造工藝的監(jiān)測(cè)和優(yōu)化問題。最后，對(duì)標(biāo)智能運(yùn)維管理知識(shí)范疇，學(xué)生可針對(duì)集群化增材制造設(shè)備、增材制造車間和增材制造工廠，學(xué)習(xí)開發(fā)增材制造云工廠平臺(tái)，最大程度實(shí)現(xiàn)增材制造的智能化生產(chǎn)。

2.4 科技競(jìng)賽強(qiáng)化

通過上述實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可通過以賽促練、以賽促訓(xùn)，選拔部分基礎(chǔ)較好的學(xué)生參加多種形式的科技競(jìng)賽，比如挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大賽等，讓學(xué)生利用增材制造的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)、制造輕量化結(jié)構(gòu)，利用增材制造具有快速制造和產(chǎn)品快速改進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)完成全部設(shè)計(jì)和制作任務(wù)。比如，可利用FDM打印工藝打印碳纖維模型零件組裝輕量化履帶車，實(shí)現(xiàn)整車重量降低提高車身剛度和強(qiáng)度;利用3DP技術(shù)打印碳-碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效防熱目的，實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)和防熱結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一等等?？傊l(fā)揮增材制造的柔性制造和一體化功能制造優(yōu)勢(shì)，面向多種應(yīng)用場(chǎng)景和目標(biāo)，可在輕量化結(jié)構(gòu)、高效傳熱結(jié)構(gòu)、隱身結(jié)構(gòu)、電磁屏蔽結(jié)構(gòu)、一體化功能結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面產(chǎn)生顯著的應(yīng)用效果，這些成果都可以用以參加各種不同形式的競(jìng)賽。

三 結(jié)束語(yǔ)

把增材制造技術(shù)應(yīng)用于智能制造專業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，從實(shí)踐效果來(lái)看，加深了學(xué)生對(duì)智能制造領(lǐng)域技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)增材制造技術(shù)，掌握了增材制造技術(shù)的基本原理，還充分認(rèn)識(shí)了增材制造的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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