增材制造在材料专业教学与实践应用探讨 
刘桐   鹿宪珂   刘琪   冒国兵
（安徽工程大学  材料科学与工程学院，安徽 芜湖 241000）
 

[摘  要]增材制造技术已经成为材料成形的一种重要方式，在材料工程应用中起到了重要作用。增材制造技术在高等院校材料工程类专业中的应用既可以丰富课程体系，又可以促进大学生创新设计与实践应用。本文分别从材料工程类课程教学改革方向、专业学科方向与学科交流、材料工程类专业大学生创新创业以及增材制造技术在材料工程专业应用等四个方面，探讨了增材制造技术在高等院校材料工程类专业教学与实践应用方向，为材料工程类专业在增材制造方向教学改革奠定基础。
[关键词]增材制造技术;材料工程专业;教学改革;实践应用
[基金项目]2019年度安徽省教学研究重点项目“成果导向的教学过程质量监控机制建立与改进-以安徽工程大学材料科学与工程专业为例”（2019jyxm1155）;2016年度安徽省教学研究重点项目“以提高材料类专业大学生创新能力为目标的实践教学体系构建与保障能力建设”（2016jyxm0090）;2018年度校级新工科示范专业（方向）项目“材料科学与工程专业增材制造专业方向”（2018xgksfzy01）。
[作者简介]刘桐，(1988-)，男，汉族，安徽宿州人，博士,安徽工程大学材料科学与工程学院讲师，主要研究方向为金属材料增材制造。
[中文分类号]G642   [文献标识码]A    [文章编号]     
 
增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术的内涵仍在不断深化，外延也不断扩展。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及复杂的加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
增材制造技术是近年来发展迅速，进步较快的先进制造工艺技术，目前已经广泛应用于航空航天、船舶重工、模具制造、汽车轻量化、医疗等领域^[1,2]。《中国制造2025》中明确指出要加快增材制造技术和增材制造高端装备的研发，增材制造技术同入选工信部《战略性新兴产业分类（2018）》。同时，随着增材制造技术的不断发展，应用范围也逐渐扩大，推动了国内高校相关科学研究、专业教学的发展与改革。
在高等院校中，材料工程类专业一般涉及材料成型及控制工程、材料科学与工程、金属材料工程等相关专业，根据每个学校的建设背景以及办学方向，各学校的相同专业也会有不同的专业方向，开设不同的专业课程，但这些专业大都以材料学、化学、物理学为基础，学习金属、高分子等材料学与工程方面的知识，培养具有扎实理论基础，又有较强的工程实践和创新能力的人才。增材制造技术是一种涉及多材料、多技术的广义技术称呼，相比传统的减材制造而提出的名词。作为新时代高等院校专业教师，应时刻接触最前沿的信息技术，特别是材料工程专业教师，应根据自身教学特点并结合增材制造技术的发展趋势，将其逐渐融入至教学科学研究工作中，提高教学质量，促进教学改革^[3,4]。
在材料工程类专业课教学中，通过对增材制造技术中所涉及的材料制备、材料增材过程中的制造与成形现象与传统材料成形过程进行对比教学讲解，可以使课堂教学更加生动，提高学生对增材制造技术的认知与理解。在材料工程类专业实训过程中，增加增材制造技术的实训，可以使学生对先进增材制造技术有直观的认知，培养出紧跟先进制造技术的工程技术人才，还可以提高学生的创新能力与学习的趣味性与积极性。本文旨在探讨增材制造技术在材料工程类专业中的教学改革与实践应用方面改革的影响。
 
一、增材制造技术在材料工程类专业教学改革的应用
1.丰富课程体系，为课程教学提供支持
增材制造技术涉及机电、材料、电气等多学科内容，属于多学科交叉性系统，在选区激光熔化技术、电子束选区熔化技术以及电弧/等离子送丝/粉等金属增材制造领域，在金属材料的增材制造过程中，所使用的原材料需达到冶金结合才能形成致密可使用的金属零部件。在金属原材料的冶金结合过程中涉及材料工程专业课材料科学基础、材料成型原理、传热学等相关课程的基本理论与实践内容。在此类相关课程的教学过程中，利用增材制造技术可提高课堂教学的直观性和调动学生学习的积极性^[5]。因此利用增材制造理论与成型过程，可以为材料工程类专业的教学提供支持，丰富教学课程体系。
在《材料成型原理》的教学中，在讲授金属液态成形原理中涉及焊缝金属温度场与凝固时，其中焊接熔池具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大等特点，与选区激光熔化过程中的粉末床中的金属粉末的加热熔化与凝固特点较为接近，因此在讲授焊接熔池熔凝特点时，可以通过焊接熔池特点介绍时与金属增材制造过程中多形成的熔池特点的相似性与不同点进行类比介绍与讲解。同样在讲授《焊接质量控制与检验》课程时，焊接质量的检验与增材制造零部件的检验检测具有很多方面的相似点和不同点。
通过在传统铸、锻、焊工艺成形原理的讲授过程中，增添新型增材制造技术成形原理的介绍，对传统加工制造工艺与新型增材制造技术就行类比介绍与讲解，一方面使学生了解了增材制造技术与传统加工、热成型技术的相关性，另一方面增添了学生关于新型智能制造技术的了解，培养学生对制造业的认识与兴趣。
2.完善材料工程类专业学科方向，促进学科交流
目前，一般院校的材料工程类专业方向多为铸造、焊接、锻压或模具等传统制造业的加工成形技术。近年来，我国互联网、计算机以及金融证券等行业的快速发展，这些行业在社会中对高校毕业生具有较大的吸引力，从而使传统制造业相关专业毕业的学生对本专业失去了认同感。例如材料工程专业很多大学生在进入大学以后，对本专业所学习的传统铸锻焊技术原理逐渐失去兴趣，走进社会之后也从事与材料工程部相关的工作。因此，有必要在材料工程类专业中开设新的适应我国制造业发展的专业方向，为新型制造业、智能制造的发展提供人才支持，完善材料工程类专业学科方向。
在材料科学与工程或材料成型与控制工程专业中，高职或高等院校可以以增材制造为专业方向与传统铸锻焊专业方向相互补充，完善材料工程专业的学科方向，促进学科交叉与交流，可以开设《增材制造技术与应用》等相关课程，让学生以增材制造为主要方向进行培养，为我国增材制造产业的快速发展提供人才支撑。
二、增材制造技术在材料工程类专业的实践与应用
（一）促进材料工程类专业大学生创新创业
增材制造技术的最大特点是解放了设计思想，增材制造技术可以成形传统制造难以成形的复杂结构等，最典型的设计及制造应用是美国GE公司突破传统制造的局限，采用增材制造技术生产航空燃油喷嘴，该结构的燃油喷嘴只能通过增材制造的方法来生产。增材制造对大学生创新设计的促进作用非常明显，近年来，增材制造在各类学科竞赛中也逐渐开展起来，例如各种创新设计大赛、工程训练等逐渐将增材制造技术列入竞赛科目，每年在全国举办的三维数字化创新设计大赛以及大学生3D打印设计大赛等都是针对增材制造的大赛，这些赛事主要培养大学生对先进增材制造技术与工业的实践与应用，在增材制造的竞赛过程中，学生们利用各类三维建模软件进行各类模型创新设计，而后通过增材制造工艺技术特点，快速实现设计想法，可以大大的调动学生们的创新设计积极性，培养学生们的创新设计思想。
（二） 增材制造技术在材料工程专业应用
金属铸造领域是材料工程类专业学生们主要方向之一，其中砂型铸造是铸造业中应用最为广泛的铸造方法，其工艺步骤主要包括：制模、造型、浇注、落砂与清理等，其中占用时间较长的是制模、制芯与造型，并且较为复杂的零件在制模、制芯过程中也难以成形。
传统方法制备铸型时，常常将砂型分成几块，然后将砂芯拔出后进行组装，因而需要考虑装配定位和精度问题，而通过增材制造技术、计算机辅助设计等，可以直接打印制造出砂型、砂芯，无需借助传统木模制造，不仅简化了分离模块的过程，铸件的精度也得到了提高。通过增材制造技术直接从三维模型进行打印制造成砂型、砂芯。从而实现了砂型、砂芯的快速制造，减少了开模时间，同时还可以制造较为复杂的零部件。增材制造与传统铸造工艺的结合从而实现了传统铸造工艺的转型升级，简化制造流程，提供了生产的效率，从而产生经济效益。因此，采用增材制造技术制造铸造砂型，在铸造中有着广阔的前景，在高等院校的材料工程专业中也应该加强在增材制造成型铸造砂型（芯）的相关教学内容。图1所示为利用增材制造技术制造的铸造砂型的典型例子^[6]。
 
图1 增材制造技术成形的砂芯及其铸件
金属模具的设计与制造也是材料工程类专业的主要方向，模具工业也是全球最大的横向产业，增材制造技术为模具设计带来了更高的自由度，在模具设计过程中，可以将复杂功能整合在一个模具组件上，通过设计优化提高模具性能。例如采用传统技术来制造注塑模具中的冷却水路时，往往采用深孔钻技术来加工制造，制造出来的水路往往是直的，直流道与型腔几何形状匹配性差，导致温度场不均匀，易引起制件变形，并降低模具寿命，影响了注塑产品的成形质量和开模时间。而采用金属增材制造技术则可以制造出复杂的随形冷却水路，在注塑过程中，为模具和注塑产品带来均匀的冷却效果，最终可以注塑出更高质量的塑料产品，提高产品的良品率，同时缩短了注塑时间，提高注塑时间，从而为注塑企业带来经济效益。图2为安徽哈特三维科技有限公司采用选区激光熔化技术制造的具有复杂内部流道的模具产品实例。
 
图2 增材制造技术成形的具有内部随形冷却水道模具
 
三、结语
  当前，增材制造技术正在快速发展，并逐渐成为一种强大的生产技术，对于高职或高等教育院校应紧跟当前先进制造技术的发展，积极探索增材制造技术在教学改革和实践应用方向的改革。增材制造材料的发展是制约增材制造应用发展的瓶颈之一，在材料工程类专业的教学工作中应逐渐融入增材制造技术相关专业课程，增添增材制造课程设计与实践环节，为大学生提供增材制造创新创业公共平台，从而为增材制造技术发展提供更多的人才支撑。

[参考文献]
[1] 何庆, 刘凯磊, 臧爱琴, 等. 增材制造技术应用及其高层次人才培养的探讨[J]. 林业机械与木工设备, 2017,45(11):47-49, 52.
[2] 张晶, 王阳萍, 王文润. 高校3D打印创新实验设计与研究[J]. 科学技术创新, 2018(01):173-174.
[3] 林涛, 刘蓉翾, 李亮亮. 增材制造-3D打印原理与实践课程在材料科学与工程实验教学中的研究[J]. 高校实验室科学技术, 2019(03):39-41.
[4] 马志林, 高梦迪, 王庆阳, 等. 增材制造技术在应用型本科院校机械专业教学中的应用[J]. 湖北开放职业学院学报, 2020,33(18):144-146.
[5] 杨振国, 文学红, 石亚平, 等. 基于增材制造(3D打印)的高职院校机械制造及自动化人才专业培养方案探究及实践[J]. 海峡科技与产业, 2020(06):25-27.
[6] 段国庆, 冯涛, 孙建民,等. 激光增材制造技术在铸造中的应用[J]. 铸造技术, 2019(7):662-666.
 
Discussion on Teaching Guidance and Practical Application of Additive Manufacturing Technology in Material Engineering Major
LIU Tong, LU Xianke, LIU Qi, MAO Guobing
(School of Materials Science and Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241200, PR China)
Abstract: Additive manufacturing technology has become an important way of material forming and plays an important role in material engineering application.The application of additive manufacturing technology in material engineering majors of colleges and universities not only enrich the courses system, but also promote the innovative design and practical application of college students.This paper respectively from material engineering curriculum teaching reform direction, professional discipline direction and discipline communication, material engineering professional college students innovative undertaking and the increase of material manufacturing technology in materials engineering application of four aspects, such as increasing material manufacturing technology is discussed in institutions of higher learning materials engineering professional teaching and practice application direction, for professional engineering in materials manufacturing direction of teaching reform lay the foundation.
Key Word: Additive manufacturing technology, Material Engineering Major, Teaching Guidance, practical application
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