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机械

3D打印技术在控制工程实践教学中应用

发布时间:2022-01-13   |  所属分类:机械:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
【摘要】随着3D打印技术的快速发展和日益成熟,3D打印技术已逐渐进入了教育领域。基于3D打印技术的发展现状,本文从材料成型及控制工程专业实践教学的特点及传统实践教学的局限性出发,分析3D打印技术在材料成型及控制工程专业实践教学中的应用及优势,开展3D打印技术在实践教学中的初步实施与探索。
 
【关键词】3D打印技术;材料成型及控制工程;实践教学
 
早在1998年,已有高等院校设立了材料成型及控制工程专业,铸造专业、焊接专业以及锻压专业是专业基础,涵盖了铸、锻、焊等三个热加工方向。目前全国有100多所高校开设有材料成型及控制工程专业,该专业涉及了材料类学科、机械类学科以及自动化类学科等相关的专业知识内容,就业范围涉及产品研发、工艺设计、销售管理、售后服务等制造行业,具有应用性和实践性强的显著特点。因此,材料成型及控制工程专业实践教学是材料成型及控制工程专业人才培养中重要的教学环节。目前3D打印技术日臻成熟,从儿童玩具到陶瓷制品再到工业产品甚至建筑业住房等都能看到3D打印制品的身影,3D打印涉及了产品模拟设计、材料设计、性能匹配以及精密成型等多个方面,是通过自动化成型制造实现产品生产的新技术且具有广泛的应用。认识实习、生产实习、课程设计及毕业设计是材料成型及控制工程专业重要的实践环节[1]。因此,将3D打印技术融入到材料成型及控制工程专业实践教学中的重要实践环节,为实现可视化的模拟设计、产品研发以及工艺设计提供了有效途径,不仅有利于学生设计水平的提升,也有利于培养其实践能力。本文基于3D打印技术的发展现状,结合材料成型及控制工程专业实践教学的特点,分析材料成型及控制工程专业传统实践教学的局限性,阐述3D打印技术在材料成型及控制工程专业实践教学中的应用及优势,并初步实施与探索3D打印技术在实践教学中应用。
 
13D打印技术的发展现状概述
 
2015年,我国推出了“中国制造2025”,制造业创新中心建设工程是五大工程之一,而3D打印(增材制造)就是其中创新发展的重大共性需求之一。3D打印思想起源于美国,随后美国、德国、瑞典、以色列等国家在打印设备、打印材料以及相关应用领域开展了研究并取得阶段性成果,而我国在20世纪90年代才逐步开展3D打印技术的研究,目前已达到了工业生产水平[2]。3D打印技术在制造业具有明显的优势:(1)快速整体数字化制造,提高生产效率;(2)缩短研发周期,加快生产进度;(3)环保高效节材制造,提高材料的利用率;(4)个性化定制制造,深度拓展设计空间[3];(5)与传统行业相结合,提高制造业生产效率。3D打印技术仍存在不足之处:(1)高质量3D打印材料昂贵,一定程度上限制了3D打印技术的发展;(2)3D打印产品材料-组织-性能的一致性仍待进一步研究;(3)3D打印产品受打印设备的限制,批量化量产仍存在一定难度。
 
23D打印技术在材料成型及控制工程专业实践教学中的应用
 
目前3D打印(增材制造)已经成为快速发展的行业新方向,3D打印(增材制造)在铸造行业和模具行业以及焊接行业都有重要应用价值[2],值得注意的是这些行业正是材料成型与控制工程专业中重要的传统方向。如:复杂模具的设计及生产、复杂薄壁铸件的工艺设计及生产、增材制造蜡模等。目前我国对具有3D打印技术背景的应用型人才的认识和培养仍处于萌芽状态[2],从而造成3D打印应用型技术人才紧缺[3]。因此,将3D打印技术引入到材料成型及控制工程专业的实践教学环节,不仅符合了行业发展对材料成型及控制工程专业发展的新要求,而且也满足了行业对3D打印技术背景的应用型人才的需求。
 
2.1实践教学的特点及传统实践教学的局限性
 
材料成型及控制工程专业属于“宽口径,厚基础”的专业,而随着制造业向自动化、高端化、智能化方向发展,专业的发展需要与企业的需求接轨,焊接自动化、铸造充型模拟以及精密成型甚至智能化制造都对传统专业提出了更高的要求,更注重专业知识“宽”的方面,体现了专业的交叉融合和宽度。此外,专业方向中的铸造、焊接、锻压等传统专业方向也注重“厚”的方面,重视专业知识和技能的积淀,体现了该专业的厚重和深度。因此,在这种专业特色培养下,实践教学也应呈现出“宽口径,厚基础”的特征。而传统实践教学的存在一定的局限性:(1)实践教学设备和实践教学内容与企业需求存在一定差异,无法紧跟企业快速发展步伐;(2)实践教学和理论教学存在脱节现象,同时实践教学监督机制不健全;(3)校外实习基地以传统制造业为主,需要加快建立新兴制造业实习基地。
 
2.23D打印在实践教学中的应用优势
 
3D打印技术是快速成形技术,基于建模模型,通过逐层打印的方式快速有效简化地生产单个产品,尤其在航空航天、生物医学、工业制造等高端技术领域具有重要的应用和发展前景[4]。在材料成型及控制工程专业生产实习、课程设计及毕业设计的实践教学中[4],存在许多模具设计、零件装配图以及三维装配图等设计环节,并在虚拟现实的环境中可视化演示实践教学的结果是实践教学应关注的焦点,恰恰3D打印技术能够满足该实践教学效果[5]。3D打印在实践教学环节具有明显的应用优势:(1)3D打印能够制造教具和教学模型,实物教学使学生能够加强对教学内容的认知和理解;(2)3D打印能够实现课程设计中装配图成型,直观再现设计存在问题和不足之处,验证设计可行性和结果;(3)在3D打印技术相关企业建立校外实习基地,为学生提供更广阔的实习平台;(4)能够积极鼓励学生采用3D打印技术自主设计制备零件,参加相关创新创业的大赛。通过3D打印技术在实践教学环节的应用,不仅能够提高实践能力,而且能够拓展专业视野和专业知识,使学生加深理解课堂教学环节学习的理论知识,更好地掌握3D打印技术的相关知识。
 
2.33D打印技术在实践教学中初步实施与探索
 
基于实践教学的特点与传统实践教学的局限性及3D打印在实践教学中的应用优势,将3D打印技术植入到实践教学过程中开展具体方案初步实施与探索。(1)考察实力雄厚的3D打印设备生产企业和3D打印技术应用企业,建立校外实习基地,选派青年骨干教师到3D打印企业挂职锻炼培养“双师型”教师,聘请企业优秀工程师担任外聘教师参与实践教学活动。(2)在本科毕业设计环节,设计类本科毕业设计的最终零件三维工艺图需用3D打印出的实物验证设计的合理性,在论文类本科毕业设计不仅需要企业工程师担任第二导师,而且参与平时学生的任务书、开题报告、中期检查以及答辩的各个环节。(3)在生产实习环节,不仅带领学生进入3D打印企业生产一线参观,而且指导学生参与到3D打印生产的各个环节,发现现场问题并解决问题,提高创新意识和创新思维。(4)在课程实践环节,邀请外聘教师进入实践教学课堂并参与实践教学的相关教材编写,将企业最新的设备和相关技术引入课堂,提高学生学习的兴趣和积极性。(5)与企业共建3D打印实验平台,骨干教师全程参与设备的安装调试过程并参加企业的3D打印技术培训,熟练掌握3D打印设备操作和技术。图1是Roclok系列桌面级FDM3D打印设备,能够制备塑料的模型和零件,耗材主要是丝材高分子材料;图2是陶瓷3D打印设备,可以制备陶瓷工艺品和模型,耗材主要是陶瓷;图3是金属材料3D打印设备,采用选区性激光熔化技术制备金属零件或模型,耗材主要是金属粉末,如:316L不锈钢粉末。基于以上3D打印设备,结合材料成型及控制工程专业的专业特点,不断优化实践教学内容,提升实践教学质量,培养学生的实践能力。
 
3结语
 
随着3D打印技术的日臻成熟,3D打印技术已在教育领域得到广泛的应用。基于3D打印技术概述和应用特点,结合材料成型及控制工程专业实践教学的特点并分析传统实践教学的局限性,研究3D打印技术在材料成型及控制工程专业实践教学中的应用及优势,分析并总结3D打印技术在实践教学中的初步实施与探索结果。
 
参考文献
 
[1]桂亮,金悦,赵卫军,等.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用[J].实验技术与管理,2016,33(10):181-184.
 
[2]王泽荫,李宗义,张映梅,等.3D打印技术与焊接技术之间的关系探讨[J].机械研究与应用,2017(3):177-179.
 
[3]谢佩军.“新工科”建设背景下3D打印应用型人才培养机制研究[J].教育现代化,2017(18):12-14.
 
[4]郭国林,杨莉,刘坡,等.材料成型及控制工程专业实践教学环节的探索[J].教育教学论坛,2017,342(52):134-135.
 
[5]闫春霞.面向课堂教学的3D教学资源设计研究[D].华中师范大学,2016:1-47.
 
作者:柳翊 郭玉波 石磊 林海燕 金文中 贾利晓 单位:洛阳理工学院材料科学与工程学院

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