基于增材制造技術(shù)的數(shù)字化制造教學(xué)改革與實(shí)踐

王葉松?方喜峰

摘要：傳統(tǒng)機(jī)械制造實(shí)踐教學(xué)以軸類(lèi)、箱體類(lèi)加工制造為主，無(wú)法適應(yīng)“新工科”背景下國(guó)家對(duì)復(fù)合型人才的需求?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)+反求工程技術(shù)+3D打印+虛實(shí)結(jié)合技術(shù)”，建立了復(fù)雜零件數(shù)字化制造的創(chuàng)新實(shí)踐課程，探究了教育數(shù)字化建設(shè)過(guò)程中教與學(xué)的模式創(chuàng)新問(wèn)題。以設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、加工難度大的復(fù)雜曲面葉輪為授課對(duì)象，開(kāi)展了數(shù)字化制造的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)課程目標(biāo)達(dá)成度和課程質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)卷結(jié)果分析，表明數(shù)字化教學(xué)改革取得了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：3D打?。粩?shù)字化制造；教學(xué)改革

一、前言

近年來(lái)財(cái)政部、國(guó)家發(fā)改委、教育部多次召開(kāi)“雙一流”建設(shè)推進(jìn)會(huì)，提出要深入實(shí)施教學(xué)數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)，促進(jìn)我國(guó)高等教育理念變革、思想變革、方法變革、實(shí)踐變革，形成教育與科研的中國(guó)新模式。在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，高校課程建設(shè)需強(qiáng)化信息化、智能化技術(shù)與高等教育深度融合，解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新問(wèn)題[1]。

劉基盛等人基于“三位一體”數(shù)字制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為企事業(yè)單位和高等院校的教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了理論基礎(chǔ)和建設(shè)方案，有助于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造行業(yè)創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)。Corinna Engelhardt-Nowitzki 等人通過(guò)數(shù)字化工廠形象生動(dòng)講授了機(jī)器人技術(shù)和智能制造技術(shù)的跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)案例[2]。

目前數(shù)字化制造實(shí)踐課程的建設(shè)仍處于起步探索階段，傳統(tǒng)機(jī)械制造實(shí)踐教學(xué)以軸類(lèi)、箱體類(lèi)加工制造為主，無(wú)法適應(yīng)“新工科”背景下國(guó)家對(duì)復(fù)合型人才的需求，距教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)差距較大，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械制造實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行數(shù)字化改革具有重要意義。

二、數(shù)字化制造技術(shù)與教學(xué)方法

機(jī)械制造類(lèi)實(shí)踐是工科院校必修課，以簡(jiǎn)單零件的設(shè)計(jì)加工制造為主構(gòu)建的傳統(tǒng)課程知識(shí)體系已不能適應(yīng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求。為增強(qiáng)課程深度、改善教學(xué)質(zhì)量、實(shí)施先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，引入重大工程應(yīng)用背景的復(fù)雜零件為授課對(duì)象，如廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和國(guó)防工業(yè)的航空結(jié)構(gòu)件、燃?xì)廨啓C(jī)葉片、船舶螺旋槳等，這些產(chǎn)品直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全，反映了國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，其制造水平體現(xiàn)了國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

（一）復(fù)雜零件數(shù)字化制造課程內(nèi)容

復(fù)雜零件具有表面不規(guī)則、精度要求高、制造難度大等特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工制造，需采用先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)[3]?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)+反求工程技術(shù)+3D打印+虛實(shí)結(jié)合技術(shù)”，建立了復(fù)雜零件的數(shù)字化制造實(shí)踐課程，構(gòu)建了創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的知識(shí)體系架構(gòu)，如圖1所示，培養(yǎng)新工科背景下的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。

（二）復(fù)雜零件數(shù)字化制造實(shí)踐教學(xué)實(shí)施模式

基于國(guó)際主流的OBE教育改革理念和CDIO教學(xué)模式，開(kāi)展復(fù)雜零件數(shù)字化制造創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示[4]。

三、數(shù)字化制造實(shí)踐平臺(tái)

為了順利開(kāi)展復(fù)雜零件的數(shù)字化制造實(shí)踐課程，利用“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+反求工程技術(shù)+3D打印+虛實(shí)結(jié)合技術(shù)”，構(gòu)建了數(shù)字化制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

反求工程技術(shù)實(shí)踐平臺(tái)包括三維激光掃描儀（見(jiàn)表1）、三維點(diǎn)云優(yōu)化軟件Geomagic Design 和三維設(shè)計(jì)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(shí)體模型，導(dǎo)出STL或OBJ格式3D打印模型，將其導(dǎo)入切片軟件，設(shè)置工藝參數(shù)，生成可執(zhí)行的G代碼，將代碼導(dǎo)入軟件進(jìn)行模擬加工，確認(rèn)加工軌跡無(wú)誤后可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工[6]。虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立減少了資金成本，解決了臺(tái)套數(shù)不足、學(xué)生操作時(shí)間受限等問(wèn)題，同時(shí)保證了人身和機(jī)器的安全，實(shí)現(xiàn)了綠色制造，激發(fā)了學(xué)生探索意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力，有利于高校數(shù)字化制造的人才培養(yǎng)。

四、教學(xué)案例及課程評(píng)價(jià)

（一）三維實(shí)物掃描及逆向設(shè)計(jì)

首先，基于反求工程技術(shù)，采用三維掃描儀對(duì)燃料電池實(shí)物葉輪進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，利用Geomagic Design X進(jìn)行優(yōu)化處理得到數(shù)字化模型，主要包括數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)封裝、填補(bǔ)缺少孔、去除特征、砂紙打磨、曲面生成等步驟，得到數(shù)字化三維教學(xué)模型[7]。

（二）3D數(shù)控打印

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

（三） 應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

采用了無(wú)記名評(píng)價(jià)問(wèn)卷方式對(duì)課程質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，內(nèi)容主要包括五項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)、學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與方法、教師授課、目標(biāo)達(dá)成情況，教學(xué)改革與學(xué)生期許，如圖5（a）所示。培養(yǎng)目標(biāo)如圖5（b）所示。

五、結(jié)語(yǔ)

基于增材制造技術(shù)開(kāi)展的數(shù)字化制造教學(xué)改革，取得了一定成果。學(xué)生理解和掌握了復(fù)雜零件數(shù)字化制造的新理論、新方法、新技術(shù)和新工藝，有效發(fā)揮了實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和科學(xué)創(chuàng)新能力中的作用。數(shù)字化制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可為高校師生提供創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)，目前已經(jīng)應(yīng)用到學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽，指導(dǎo)本科生、研究生完成畢業(yè)課題等教學(xué)、科研、實(shí)驗(yàn)工作中。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭萬(wàn)里，范凡.“十四五”期間高校數(shù)字化建設(shè)——以北京化工大學(xué)數(shù)字化建設(shè)為例[J].信息系統(tǒng)工程，2023（11）：97-100.

[2]劉基盛，譚自強(qiáng)，李威，等.“三位一體”數(shù)字化制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2023（03）：94-100.

[3]韓筠.“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代教與學(xué)的新發(fā)展[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2019（12）：4-7.

[4]王曉瑩.基于OBE理念的“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革研究 [J].信息系統(tǒng)工程，2023（12）：173-6.

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[6]劉基盛，王葉松，李威，等.連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2023，（04）：56-63.

[7]劉基盛，計(jì)良，李威，等.基于FFD方法的離心壓氣機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2023，41（04）：354-62.

基金項(xiàng)目：1.江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：D/2021/01/102）；2.江蘇科技大學(xué)2023年度研究生教育教學(xué)改革研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YJG2023Z_01）

作者單位：江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振、周航