增材制造技術(shù)應用及其高層次人才培養(yǎng)的探討

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(江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州213001)

教學管理

增材制造技術(shù)應用及其高層次人才培養(yǎng)的探討

何慶，劉凱磊，臧愛琴，陳峰

(江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州213001)

分析了增材制造的基本原理，說明了激光熔覆作為增材制造的一種技術(shù)手段在表面改性方面的應用。在此基礎(chǔ)上提出了通過建立公共平臺、加強實踐教學及采取以賽帶訓等措施為增材制造培養(yǎng)高級應用型人才。

增材制造；3D打印；人才培養(yǎng)

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing，AM)是一種與傳統(tǒng)的機械制造材料去除加工方法相反、基于三維數(shù)字模型、選用合適熔敷工藝、采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的新技術(shù)。該技術(shù)簡稱 3D打印技術(shù) (3D Printing)[1]，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)。

增材制造技術(shù)作為“中國制造2025”戰(zhàn)略實踐的突出代表之一，目前已是當今科技界中耀眼的明星，作為智能制造中“智能生產(chǎn)”、“智能工廠”和“智能物流”三大核心主題的關(guān)鍵技術(shù)，增材制造技術(shù)符合目前新產(chǎn)品研發(fā)、小規(guī)模生產(chǎn)和手工制作等的要求，可促使生產(chǎn)過程向快、好、優(yōu)的方向發(fā)展，以滿足用戶的個性化需求，增材制造技術(shù)代表了智能制造的發(fā)展方向。

增材制造按照加工材料的類型可分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等，以下結(jié)合江蘇理工學院機械工程學院(以下簡稱我院)的科研和教學研究實際情況，僅就金屬成形中的激光熔覆技術(shù)進行說明。

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種類型，是指在被涂覆基體表面上放置不同的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面薄層同時熔化并快速凝固后，與基體材料形成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能的工藝方法，其原理如圖1所示。

圖1 激光熔覆技術(shù)原理

激光熔覆技術(shù)作為21世紀裝備再制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有廣泛的應用前景，目前已受到工程技術(shù)人員和企業(yè)的高度關(guān)注。我院在此方面的科研教學設(shè)備為YLS-4000 W光纖激光器，如圖2所示。

圖2 YLS-4000 W光纖激光器

增材制造技術(shù)方面的研究及應用主要有以下四個方面。

(1)H13鋼表面激光熔覆技術(shù)。H13鋼(4Cr5MoSiVi鋼)是一種熱作模具鋼，在模具中常出現(xiàn)的材料缺陷有裂紋、折疊、疏松、縮孔殘余、偏析及球化組織質(zhì)量差等問題，導致在使用過程中常發(fā)生失效破壞，如熱疲勞、斷裂、熱磨損等。研究了激光熔覆技術(shù)在H13鋼表面熔覆材料體系的應用、激光熔覆工藝參數(shù)對H13鋼微觀組織與性能的影響、激光熔覆的數(shù)值模擬以及發(fā)展趨勢。

(2)研制新型涂層，對涂層材料進行優(yōu)化設(shè)計。H13鋼熔覆的粉末材料主要是自熔性合金材料以及金屬基陶瓷復合材料等。分析了增強相顆粒對H13鋼表面激光熔覆層性能的影響，研究表明，含有適量稀土元素的熔覆層性能更加優(yōu)良，特別是在H13鋼表面形成了耐磨、耐腐蝕的熔覆層，但稀土元素添加過多會增加疲勞微裂紋的產(chǎn)生。

(3)開發(fā)新的加工工藝，將激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)的材料性能處理技術(shù)相結(jié)合。降低熔覆區(qū)的熱應力，解決涂層易開裂的問題，如熔覆層前后的熱處理、力學沖擊等。加強增材制造工藝技術(shù)研發(fā)，提升3D打印工藝技術(shù)水平。

(4)開發(fā)智能材料、仿生材料、超材料、低成本增材制造材料。

2 增材制造技術(shù)的人才培養(yǎng)對策

增材制造技術(shù)發(fā)展突飛猛進，但與此相關(guān)的高層次人才培養(yǎng)卻跟不上新技術(shù)的發(fā)展，已成為增材制造技術(shù)進一步發(fā)展的短板。增材制造技術(shù)廣泛應用的限制性因素主要有以下幾個方面：① 材料限制；② 成本制約；③ CAD/CAM數(shù)字化人才限制；④ 3D打印產(chǎn)品的性能缺陷。為此，有必要探索與增材制造相配套的高端人才(如專業(yè)碩士)培養(yǎng)問題。

2.1 建立增材制造公共教學平臺

工業(yè)和信息化部工業(yè)文化發(fā)展中心等單位2017年建立了“增材制造公共服務平臺”[2]，在高校構(gòu)建教育教學實驗室、技術(shù)研究實驗室和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新中心“三位一體”的教學平臺，為增材制造技術(shù)培養(yǎng)高端型、中等型和普及型應用人才。促進高校人才培養(yǎng)在增材制造技術(shù)方面的專業(yè)化、職業(yè)化和市場化，將學術(shù)研究及其技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，已成為人才專項行動與市場、資源對接的有效途徑之一。增材制造技術(shù)人才培養(yǎng)平臺模型如圖3所示。

圖3 增材制造技術(shù)人才培養(yǎng)平臺模型

根據(jù)“國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)”[3]，依托已有增材制造優(yōu)勢的高校和科研機構(gòu)，建立或健全增材制造人才培養(yǎng)體系，積極開展高校機械類、材料類等專業(yè)教師增材制造知識培訓，組建“雙師型”教學團隊，支持有條件的高校設(shè)立增材制造學科或?qū)I(yè)，高校與企業(yè)通過產(chǎn)、學、研聯(lián)合辦學或建立增材制造人才培養(yǎng)及實訓基地。

2.2 增材制造進課堂，設(shè)立《增材制造技術(shù)》新課程

《先進制造技術(shù)》是我校機械工程專業(yè)研究生的學位課，我們在講授此課程時就將3D打印技術(shù)融入到教學中，包括3D打印技術(shù)的原理、發(fā)展及應用，建模工具的使用，打印設(shè)備的操作與調(diào)試，以及三維掃描技術(shù)等。通過此部分內(nèi)容的學習，低年級的研究生能夠設(shè)計實體模型并利用桌面級的3D打印設(shè)備(打印材料為尼龍類)打印制作出其作品；高年級的研究生結(jié)合畢業(yè)論文，在工業(yè)級的3D打印設(shè)備(打印材料為金屬)完成激光熔覆制造。

應積極創(chuàng)造條件，逐步將增材制造技術(shù)從《先進制造技術(shù)》課程中獨立出來，設(shè)立新的研究生課程《增材制造技術(shù)》，主要講授逆向建模技術(shù)、3D打印成型材料、增材制造設(shè)備、增材制造技術(shù)與應用等，編寫理論與實訓有機結(jié)合的應用型新教材，以培養(yǎng)增材制造技術(shù)的中高端人才。

2.3 以賽帶訓

為了活躍學術(shù)氣氛，調(diào)動研究生(或高年級本科生)學習的積極性，可以采用以賽帶訓的辦法，即“以賽促教、以賽促訓、以賽促用、以賽促新”。該模式符合時代發(fā)展，體現(xiàn)了科技進步和產(chǎn)業(yè)升級的要求，是大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新的新實踐、新發(fā)展之一。我校機械工程研究生王康等學生參與2017年5月在沈陽舉行的“永冠杯”第八屆中國大學生鑄造工藝設(shè)計大賽，獲得研究生組二等獎、三等獎各一項。此外，對全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽中具有獨創(chuàng)性及市場前景的項目，也提供一定的軟件及項目基金支持，以搭建增材制造技術(shù)人才就業(yè)促進體系，促進人才培養(yǎng)與就業(yè)協(xié)同發(fā)展。

2.4 增添新型實訓設(shè)備

為提高增材制造技術(shù)專業(yè)人才的動手能力，一些院校紛紛建設(shè)了3D 打印實驗實訓室，但由于初期對增材制造技術(shù)及發(fā)展趨勢了解不深，F(xiàn)DM(Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型)占據(jù)了實驗設(shè)備的主體，即使有高端的工業(yè)級3D 打印設(shè)備也出現(xiàn)開機不足等情況，導致一些實驗實訓設(shè)備難以發(fā)揮其應有的作用[4]。相關(guān)企業(yè)及部分院?？煽紤]淘汰部分FDM 設(shè)備，引進新型及高端工業(yè)級3D 打印設(shè)備，并提高已有3D 打印設(shè)備的利用率。增材制造裝備及主要器件見表1，各高?？筛鶕?jù)自己的專業(yè)及科研情況選擇使用。

表1 增材制造裝備及主要器件

類別名稱金屬材料增材制造裝備激光、電子束高效選區(qū)熔化、大型整體構(gòu)件激光及電子束送粉、送絲熔化沉積等增材制造裝備非金屬材料增材制造裝備光固化成形、熔融沉積成形、激光選區(qū)燒結(jié)成形、無模鑄型以及材料噴射成形等增材制造裝備醫(yī)用材料增材制造裝備仿生組織修復支架增材制造裝備、醫(yī)療個性化增材制造裝備、細胞活性材料增材制造裝備等增材制造裝備主要器件高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)、高品質(zhì)電子槍及高速掃描系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡等精密光學器件、陣列式高精度噴嘴、噴頭等

2.5 引入眾創(chuàng)服務

積極創(chuàng)造條件，引導部分喜歡創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、熱愛增材制造技術(shù)的研究生及大學生到高校的眾創(chuàng)空間及機構(gòu)，以眾創(chuàng)服務平臺為后勤支撐，以小型化的文化創(chuàng)意作品為起點[5]，逐步過渡到以專業(yè)化產(chǎn)品為目標的創(chuàng)業(yè)歷程，實現(xiàn)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的產(chǎn)品化和人才化。

3 結(jié)束語

要提高現(xiàn)代制造業(yè)，特別是以增材制造技術(shù)為代表的新技術(shù)的人才培養(yǎng)模式及科技成果的轉(zhuǎn)化率，需要政府、高校和企業(yè)三方面共同努力，協(xié)同創(chuàng)新，以市場為導向，以高校為基地，以企業(yè)為主體，促進增材制造新技術(shù)的人才化、產(chǎn)業(yè)化和應用化。培養(yǎng)“一懂二會”(懂3D建模設(shè)計、會產(chǎn)品快速制造、會經(jīng)營管理)的高端人才，推動傳統(tǒng)工業(yè)體系智能化變革，打造符合高端人才培養(yǎng)目標、滿足“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)(增材制造技術(shù))發(fā)展規(guī)劃所需求的高層次技術(shù)型人才。

[1] 劉琦，梁曉康，陳濟輪，等.增材制造技術(shù)的應用及其發(fā)展[J].機床與液壓，2016，44(5)：183-188.

[2] 增材制造研究院.中國增材制造產(chǎn)業(yè)推進工程[EB/OL].[2017-05-22].http：//www.miit3d.com.

[3] 工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》的通知[EB/OL].[2015-02-11].http：//www.miit.gov.cn/n1146285/ntent.html.

[4] 耿佩.高職院校3D 打印技術(shù)人才培養(yǎng)模式研究[J].工程技術(shù)，2017，23(3)：291.

[5] 王剛，王微，邢昌，等.應用型本科院校3D 打印技術(shù)人才培養(yǎng)模式探討[J].長沙大學學報，2017，31(2)：131-133.

ApplicationofAdditiveManufacturingTechnologyandDiscussionofHighLevelTalentCultivation

HEQing，LIUKai-lei，ZANGAi-qin，CHENfeng

(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China)

The principle of additive manufacturing technology(3D printing technology)is analyzed，the application of laser cladding as one of the technical means of additive manufacturing in surface modification is introduced.On the basis，the countermeasure of advanced application talent cultivation in the 3D Printing technology is proposed.Through the establishment of public platforms，strengthening practical teaching and carrying out measures such as competition instead of training，it provides a technical way to solve the current 3D printing technology talent short board.

additive manufacturing；3D printing；talent cultivation

C961

A

2095-2953(2017)11-0047-03

2017-08-16

江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題項目(JGLX16_0722)；江蘇理工學院高教研究項目(JG13067)；教育部國家級特色專業(yè)建設(shè)項目(TS10848)

何 慶：(1964-)，男，安徽霍邱人，教授，碩士，主要從事先進制造技術(shù)的教學與科研工作，E-mail：qqaa611@163.com。

(責任編輯 王琦)