新工科背景下增材制造技術課程的教學探索與實踐

李 凱，項 薇

（寧波大學機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

增材制造技術，通常也被稱為3D 打印，是一種高效制造方法，通常是一層一層地從3D 模型數據中直接制造零部件。隨著增材制造越來越成熟，對增材制造專業人才的需求也在不斷增加。這引發了高校對增材制造技術課程的廣泛興趣和重視。增材制造涉及多個學科，如科學、技術、工程、數學、化學和物理等，為學生拓展知識面和交叉融合提供了良好途徑[1]。此外增材制造技術授課必須考慮到增材制造技術快速發展，以及增材制造明顯的跨學科性質[2]。與此同時，增材制造可以在新產品、新工藝、新技術的創造中發揮其特殊能力。

當前，我國正在由制造大國向制造強國加速轉變，打造國際先進的制造業集群。增材制造技術是我國實施制造強國戰略的重要發力點和支撐點。目前我國增材制造相關領域正在以年增40%的速度高速發展，這將需要大約1000 萬增材制造領域的應用型技術人才。由此可知，增材制造技術及相關行業的快速發展對高校培養增材制造領域相關人才提出了更高的要求，對推動國內高校先進制造學科發展和專業教學進步起到促進作用。

相比之下，中國（大陸地區）的高校在增材制造領域開設課程較晚，相關教學資源和課程建設處在快速發展階段，如課程內涵、教學素材、教學質量、實驗環節等方面，仍存在巨大潛力。探討增材制造技術課程教學中的實踐應用和授課思路，為新工科教學改革實踐提供有益參考。

1 增材制造技術課程建設與實踐

1.1 增材制造技術

增材制造技術可以直接讀取結構設計文件信息，獲得三維結構的幾何形狀，提供定制化形狀的打印策略，典型增材制造技術和打印制備的結構如圖1～2 所示[3]。增材制造方法已在各種工業應用中發展起來，包括汽車、船舶和航空航天工業、機械、微納制造、電子工業、醫療設備、人工組織。如今發展起來了多種增材制造技術，它們在原理、沉積技術及適用材料方面存在差異。增材制造技術有各種好處，包括更高的“設計自由度”，小批量、復雜零件的低成本，加工周期短，材料利用率高，設計風險低。

圖1 典型增材制造方法

圖2 制備結構

1.2 增材制造技術課程目標

增材制造課程旨在向工程專業的學生教授增材制造的基礎知識，包括3D 打印技術、材料、力學性能和應用。該課程的目標是面向行業發展對先進制造技術的需求，結合短流程開發和生產周期，學習課程涉及先進結構設計和增材制造方法。在課程結束時，學生能夠描述增材制造技術的基本原理、優勢和局限性；能為特定結構和材料選擇響應的增材制造工藝；分析出增材制造件缺陷、不規則和失效的原因；預估打印結構性能；打印結構的后處理技術。

2 增材制造技術課程探索與實踐

2.1 增材制造技術課程的教學模式

增材制造技術課程開始時，詳細介紹課程大綱和授課流程。課堂教學任務是詳細介紹主要的增材制造技術和材料選擇。針對一項增材制造技術，如選擇性激光熔覆、熔融沉積技術、噴墨打印技術，授課時長設計為兩個課時，同時讓學生接觸到與工藝相關的基本原理、選用材料、適用范圍和未來發展趨勢等。并介紹和討論不同增材制造技術的商業應用潛力。

增材制造技術課程容量或學生選課人數約為30人，以工程為導向的五步教學方式，致力于增材制造技術的基礎知識和工業應用，包括課堂教學、行業專家講座、實驗室培訓以及3D 打印訓練。

（1）課程的前12 周課堂教授常用的增材制造技術，包括：熔融沉積技術、選擇性激光燒結、層壓物體制造、電噴打印技術和定向能沉積。學生們在課堂接受知識的同時還參加電噴打印技術的實驗，并接觸電噴打印技術的墨水配置、預處理、3D 打印和后期處理。

（2）經過前12 周課堂教學后，每組學生（每組5名學生）可以選擇一個工程項目進行實驗。任務打印一個基于電噴打印的微納結構，涉及打印墨水的配置、結構的設計（CAD 畫圖）、程序開發與參數調整，該實驗環節是打印微米尺度的聚合物線結構。

（3）在第6 至第10 周之間實施專題講座，講座嘉賓一般為增材制造行業或學術圈內，講座內容主要向學生介紹增材制造發展動態、前言技術、與增材制造相關的材料表征技術分析打印結構的質量檢測和未來標準化。

（4）在課程的第13～15 周，實驗小組展示講解打印的結構，經過前期實驗設計、打印材料選擇及實驗結構分析，將實驗過程和實驗心得以PPT 的形式向學生展示。

（5）在課程第16 周和第17 周分析實驗測試結果：利用共聚焦顯微鏡和尺寸分析軟件。在第13 周至第14 周期間，從互聯網收集工業界和學術界專家的專題講座或教學。在創新創業方面，向學生播放增材制造技術和初創企業進入實際生產應用（如航空航天、軌道交通、先進傳感方面）所面臨的困難，讓學生了解增材制造技術適應于加工什么特點的零件。

在課程結束時，對學生進行問卷定性調查，調查問卷中包括：從當前的增材制造課程中學到了什么？學到了什么有價值的工具？分組時團隊選擇你的原因是什么？課程的缺點是什么？如何改進？等問題。

2.2 課程實驗環節的探索

經過課程的課堂教學，學生接觸到了選擇性激光燒結、噴墨打印、電噴打印、雙光子聚合等多種增材制造技術，掌握了不同技術的原理、特點和應用范圍等。在課程實驗環節，同學們參加電噴打印，并接觸電噴打印技術的預處理、打印成型和結構表征，電噴打印基本原理如圖3。每5 個學生為一組選擇實踐環節，實驗任務涉及機械設計和打印一個基于電噴打印的微納三維結構，每組學生設計并打印結構后，向同學們講解小組在打印過程中遇到的困難與心得。向學生介紹材料表征和力學測試，分析增材制造制備的結構與傳統方法制備的在性能方面存在的差異，并分析其兩種方法的優缺點。

圖3 電噴打印技術基本原理

在學生的實驗課環節中，學生以5 人一組的方式設計和打印微米尺度結構，任務分工如圖4。為了讓學生更好做實驗，課堂上指導學生：開發和討論CAD模型；將CAD 模型轉換為STL 文件；軟件自動導入控制系統；配制相應的打印溶液；選擇3D 打印參數；裝載打印材料和襯底，確定襯底在熱板上的位置；打印結構和測量打印結構的尺度特征。增材制造實驗環節側重于知識的綜合應用，并為工程專業學生提供工程實習的機會，通過與項目、團隊合作的互動來學習增材制造流程和專業技能。學生們被要求測量打印部件的主要尺寸，并根據CAD 模型將這些尺寸與可預測的尺寸進行比較。

圖4 分組及任務分工

2.3 打印結果分析與總結

通過調整打印參數可以獲得不同尺寸的結構，如圖5 所示，3D 打印機性能和材料直接成形等關鍵參數是影響打印零件質量。學生通過打印、觀察和表征部件，撰寫總結報告。針對小組撰寫的報告，教師會修改內容，以提高學生的表達能力。如某小組對實驗結果總結：施加電壓對線寬影響的統計分析圖所示。可以看出，在較高的施加電壓下，減小打印溶液流量可以獲得較高的線結構分辨率。當外加電壓增大時，打印溶液表面的電剪切力增大，導致射流向基板移動速度加快，射流變短變細，從而導致打印特征尺寸減小。

圖5 微結構尺寸分析

通過實驗總結報告及交流環節，學生們需要思考以下問題：這種結構用增材制造技術制備是最好的選擇嗎？為什么？如何假設增材制造技術限制會影響打印對象的性能？影響打印結構的缺陷的主要原因是什么，為什么會出現缺陷？如何改進工藝以減少或消除缺陷？打印結構的哪些特征對其功能至關重要？打印件尺寸特征是否與設計值一致？如何重新設計以保證改進的質量和功能？

3 結語

利用增材制造技術制備復雜、小批量的3D 結構是目前最優選之一。因此，增材制造作為具有巨大潛力和商業價值的先進工藝受到了極大的關注，它被廣泛應用于眾多領域和工業應用，其中包括教育、醫療植入物和設備、汽車零部件、航空航天和飛機部件、比例建筑模型、珠寶和藝術品等。增材制造技術的日益普及巨大市場需求需要創新的授課方式。因此，教授工程學生增材制造課程，是新工科背景下高校教改的一項工作。在探索增材制造課程授課方式，包括增材制造的基礎知識，主要3D 打印方法，材料選擇和增材制造的潛在工業應用。實驗作為增材制造課程的重要環節，分組開發和3D 打印零件，并分析不同增材制造技術的優勢與適應度，有助于培養工科學生的批判性思維和解決問題的能力。此外，增材制造課程及涉及到的打印裝置、材料、程序、控制和結構表征，提供了一個交叉融合的掌握多學科知識的工具，涉及到創造力、與其他學生的互動和交流，它為學生和教師提供了一個創新授課方式的途徑，有助于學生將想法轉化為現實，利于激勵他們參與工程難題和復雜的任務。