3D打印技術在控制工程實踐教學中應用

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【摘要】隨著3d打印技術的快速發展和日益成熟，3D打印技術已逐漸進入了教育領域。基于3D打印技術的發展現狀，本文從材料成型及控制工程專業實踐教學的特點及傳統實踐教學的局限性出發，分析3D打印技術在材料成型及控制工程專業實踐教學中的應用及優勢，開展3D打印技術在實踐教學中的初步實施與探索。

【關鍵詞】3D打印技術；材料成型及控制工程；實踐教學

早在1998年，已有高等院校設立了材料成型及控制工程專業，鑄造專業、焊接專業以及鍛壓專業是專業基礎，涵蓋了鑄、鍛、焊等三個熱加工方向。目前全國有100多所高校開設有材料成型及控制工程專業，該專業涉及了材料類學科、機械類學科以及自動化類學科等相關的專業知識內容，就業范圍涉及產品研發、工藝設計、銷售管理、售后服務等制造行業，具有應用性和實踐性強的顯著特點。因此，材料成型及控制工程專業實踐教學是材料成型及控制工程專業人才培養中重要的教學環節。目前3D打印技術日臻成熟，從兒童玩具到陶瓷制品再到工業產品甚至建筑業住房等都能看到3D打印制品的身影，3D打印涉及了產品模擬設計、材料設計、性能匹配以及精密成型等多個方面，是通過自動化成型制造實現產品生產的新技術且具有廣泛的應用。認識實習、生產實習、課程設計及畢業設計是材料成型及控制工程專業重要的實踐環節[1]。因此，將3D打印技術融入到材料成型及控制工程專業實踐教學中的重要實踐環節，為實現可視化的模擬設計、產品研發以及工藝設計提供了有效途徑，不僅有利于學生設計水平的提升，也有利于培養其實踐能力。本文基于3D打印技術的發展現狀，結合材料成型及控制工程專業實踐教學的特點，分析材料成型及控制工程專業傳統實踐教學的局限性，闡述3D打印技術在材料成型及控制工程專業實踐教學中的應用及優勢，并初步實施與探索3D打印技術在實踐教學中應用。

13D打印技術的發展現狀概述

2015年，我國推出了“中國制造2025”，制造業創新中心建設工程是五大工程之一，而3D打印（增材制造）就是其中創新發展的重大共性需求之一。3D打印思想起源于美國，隨后美國、德國、瑞典、以色列等國家在打印設備、打印材料以及相關應用領域開展了研究并取得階段性成果，而我國在20世紀90年代才逐步開展3D打印技術的研究，目前已達到了工業生產水平[2]。3D打印技術在制造業具有明顯的優勢：（1）快速整體數字化制造，提高生產效率；（2）縮短研發周期，加快生產進度；（3）環保高效節材制造，提高材料的利用率；（4）個性化定制制造，深度拓展設計空間[3]；（5）與傳統行業相結合，提高制造業生產效率。3D打印技術仍存在不足之處：（1）高質量3D打印材料昂貴，一定程度上限制了3D打印技術的發展；（2）3D打印產品材料-組織-性能的一致性仍待進一步研究；（3）3D打印產品受打印設備的限制，批量化量產仍存在一定難度。

23D打印技術在材料成型及控制工程專業實踐教學中的應用

目前3D打印（增材制造）已經成為快速發展的行業新方向，3D打印（增材制造）在鑄造行業和模具行業以及焊接行業都有重要應用價值[2]，值得注意的是這些行業正是材料成型與控制工程專業中重要的傳統方向。如：復雜模具的設計及生產、復雜薄壁鑄件的工藝設計及生產、增材制造蠟模等。目前我國對具有3D打印技術背景的應用型人才的認識和培養仍處于萌芽狀態[2]，從而造成3D打印應用型技術人才緊缺[3]。因此，將3D打印技術引入到材料成型及控制工程專業的實踐教學環節，不僅符合了行業發展對材料成型及控制工程專業發展的新要求，而且也滿足了行業對3D打印技術背景的應用型人才的需求。

2.1實踐教學的特點及傳統實踐教學的局限性

材料成型及控制工程專業屬于“寬口徑，厚基礎”的專業，而隨著制造業向自動化、高端化、智能化方向發展，專業的發展需要與企業的需求接軌，焊接自動化、鑄造充型模擬以及精密成型甚至智能化制造都對傳統專業提出了更高的要求，更注重專業知識“寬”的方面，體現了專業的交叉融合和寬度。此外，專業方向中的鑄造、焊接、鍛壓等傳統專業方向也注重“厚”的方面，重視專業知識和技能的積淀，體現了該專業的厚重和深度。因此，在這種專業特色培養下，實踐教學也應呈現出“寬口徑，厚基礎”的特征。而傳統實踐教學的存在一定的局限性：（1）實踐教學設備和實踐教學內容與企業需求存在一定差異，無法緊跟企業快速發展步伐；（2）實踐教學和理論教學存在脫節現象，同時實踐教學監督機制不健全；（3）校外實習基地以傳統制造業為主，需要加快建立新興制造業實習基地。

2.23D打印在實踐教學中的應用優勢

3D打印技術是快速成形技術，基于建模模型，通過逐層打印的方式快速有效簡化地生產單個產品，尤其在航空航天、生物醫學、工業制造等高端技術領域具有重要的應用和發展前景[4]。在材料成型及控制工程專業生產實習、課程設計及畢業設計的實踐教學中[4]，存在許多模具設計、零件裝配圖以及三維裝配圖等設計環節，并在虛擬現實的環境中可視化演示實踐教學的結果是實踐教學應關注的焦點，恰恰3D打印技術能夠滿足該實踐教學效果[5]。3D打印在實踐教學環節具有明顯的應用優勢：（1）3D打印能夠制造教具和教學模型，實物教學使學生能夠加強對教學內容的認知和理解；（2）3D打印能夠實現課程設計中裝配圖成型，直觀再現設計存在問題和不足之處，驗證設計可行性和結果；（3）在3D打印技術相關企業建立校外實習基地，為學生提供更廣闊的實習平臺；（4）能夠積極鼓勵學生采用3D打印技術自主設計制備零件，參加相關創新創業的大賽。通過3D打印技術在實踐教學環節的應用，不僅能夠提高實踐能力，而且能夠拓展專業視野和專業知識，使學生加深理解課堂教學環節學習的理論知識，更好地掌握3D打印技術的相關知識。

2.33D打印技術在實踐教學中初步實施與探索

基于實踐教學的特點與傳統實踐教學的局限性及3D打印在實踐教學中的應用優勢，將3D打印技術植入到實踐教學過程中開展具體方案初步實施與探索。（1）考察實力雄厚的3D打印設備生產企業和3D打印技術應用企業，建立校外實習基地，選派青年骨干教師到3D打印企業掛職鍛煉培養“雙師型”教師，聘請企業優秀工程師擔任外聘教師參與實踐教學活動。（2）在本科畢業設計環節，設計類本科畢業設計的最終零件三維工藝圖需用3D打印出的實物驗證設計的合理性，在論文類本科畢業設計不僅需要企業工程師擔任第二導師，而且參與平時學生的任務書、開題報告、中期檢查以及答辯的各個環節。（3）在生產實習環節，不僅帶領學生進入3D打印企業生產一線參觀，而且指導學生參與到3D打印生產的各個環節，發現現場問題并解決問題，提高創新意識和創新思維。（4）在課程實踐環節，邀請外聘教師進入實踐教學課堂并參與實踐教學的相關教材編寫，將企業最新的設備和相關技術引入課堂，提高學生學習的興趣和積極性。（5）與企業共建3D打印實驗平臺，骨干教師全程參與設備的安裝調試過程并參加企業的3D打印技術培訓，熟練掌握3D打印設備操作和技術。圖1是Roclok系列桌面級FDM3D打印設備，能夠制備塑料的模型和零件，耗材主要是絲材高分子材料；圖2是陶瓷3D打印設備，可以制備陶瓷工藝品和模型，耗材主要是陶瓷；圖3是金屬材料3D打印設備，采用選區性激光熔化技術制備金屬零件或模型，耗材主要是金屬粉末，如：316L不銹鋼粉末。基于以上3D打印設備，結合材料成型及控制工程專業的專業特點，不斷優化實踐教學內容，提升實踐教學質量，培養學生的實踐能力。

3結語

隨著3D打印技術的日臻成熟，3D打印技術已在教育領域得到廣泛的應用。基于3D打印技術概述和應用特點，結合材料成型及控制工程專業實踐教學的特點并分析傳統實踐教學的局限性，研究3D打印技術在材料成型及控制工程專業實踐教學中的應用及優勢，分析并總結3D打印技術在實踐教學中的初步實施與探索結果。

參考文獻

[1]桂亮,金悅,趙衛軍,等.3D打印技術在創客實踐教學環節中的應用[J].實驗技術與管理,2016,33(10):181-184.

[2]王澤蔭,李宗義,張映梅,等.3D打印技術與焊接技術之間的關系探討[J].機械研究與應用,2017(3):177-179.

[3]謝佩軍.“新工科”建設背景下3D打印應用型人才培養機制研究[J].教育現代化,2017(18):12-14.

[4]郭國林,楊莉,劉坡,等.材料成型及控制工程專業實踐教學環節的探索[J].教育教學論壇,2017,342(52):134-135.

[5]閆春霞.面向課堂教學的3D教學資源設計研究[D].華中師范大學,2016:1-47.

作者:柳翊 郭玉波 石磊 林海燕 金文中 賈利曉 單位:洛陽理工學院材料科學與工程學院