新工科背景下增材制造技术课程的教学探索与实践

李 凯，项 薇

（宁波大学机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

增材制造技术，通常也被称为3D 打印，是一种高效制造方法，通常是一层一层地从3D 模型数据中直接制造零部件。随着增材制造越来越成熟，对增材制造专业人才的需求也在不断增加。这引发了高校对增材制造技术课程的广泛兴趣和重视。增材制造涉及多个学科，如科学、技术、工程、数学、化学和物理等，为学生拓展知识面和交叉融合提供了良好途径[1]。此外增材制造技术授课必须考虑到增材制造技术快速发展，以及增材制造明显的跨学科性质[2]。与此同时，增材制造可以在新产品、新工艺、新技术的创造中发挥其特殊能力。

当前，我国正在由制造大国向制造强国加速转变，打造国际先进的制造业集群。增材制造技术是我国实施制造强国战略的重要发力点和支撑点。目前我国增材制造相关领域正在以年增40%的速度高速发展，这将需要大约1000 万增材制造领域的应用型技术人才。由此可知，增材制造技术及相关行业的快速发展对高校培养增材制造领域相关人才提出了更高的要求，对推动国内高校先进制造学科发展和专业教学进步起到促进作用。

相比之下，中国（大陆地区）的高校在增材制造领域开设课程较晚，相关教学资源和课程建设处在快速发展阶段，如课程内涵、教学素材、教学质量、实验环节等方面，仍存在巨大潜力。探讨增材制造技术课程教学中的实践应用和授课思路，为新工科教学改革实践提供有益参考。

1 增材制造技术课程建设与实践

1.1 增材制造技术

增材制造技术可以直接读取结构设计文件信息，获得三维结构的几何形状，提供定制化形状的打印策略，典型增材制造技术和打印制备的结构如图1～2 所示[3]。增材制造方法已在各种工业应用中发展起来，包括汽车、船舶和航空航天工业、机械、微纳制造、电子工业、医疗设备、人工组织。如今发展起来了多种增材制造技术，它们在原理、沉积技术及适用材料方面存在差异。增材制造技术有各种好处，包括更高的“设计自由度”，小批量、复杂零件的低成本，加工周期短，材料利用率高，设计风险低。

图1 典型增材制造方法

图2 制备结构

1.2 增材制造技术课程目标

增材制造课程旨在向工程专业的学生教授增材制造的基础知识，包括3D 打印技术、材料、力学性能和应用。该课程的目标是面向行业发展对先进制造技术的需求，结合短流程开发和生产周期，学习课程涉及先进结构设计和增材制造方法。在课程结束时，学生能够描述增材制造技术的基本原理、优势和局限性；能为特定结构和材料选择响应的增材制造工艺；分析出增材制造件缺陷、不规则和失效的原因；预估打印结构性能；打印结构的后处理技术。

2 增材制造技术课程探索与实践

2.1 增材制造技术课程的教学模式

增材制造技术课程开始时，详细介绍课程大纲和授课流程。课堂教学任务是详细介绍主要的增材制造技术和材料选择。针对一项增材制造技术，如选择性激光熔覆、熔融沉积技术、喷墨打印技术，授课时长设计为两个课时，同时让学生接触到与工艺相关的基本原理、选用材料、适用范围和未来发展趋势等。并介绍和讨论不同增材制造技术的商业应用潜力。

增材制造技术课程容量或学生选课人数约为30人，以工程为导向的五步教学方式，致力于增材制造技术的基础知识和工业应用，包括课堂教学、行业专家讲座、实验室培训以及3D 打印训练。

（1）课程的前12 周课堂教授常用的增材制造技术，包括：熔融沉积技术、选择性激光烧结、层压物体制造、电喷打印技术和定向能沉积。学生们在课堂接受知识的同时还参加电喷打印技术的实验，并接触电喷打印技术的墨水配置、预处理、3D 打印和后期处理。

（2）经过前12 周课堂教学后，每组学生（每组5名学生）可以选择一个工程项目进行实验。任务打印一个基于电喷打印的微纳结构，涉及打印墨水的配置、结构的设计（CAD 画图）、程序开发与参数调整，该实验环节是打印微米尺度的聚合物线结构。

（3）在第6 至第10 周之间实施专题讲座，讲座嘉宾一般为增材制造行业或学术圈内，讲座内容主要向学生介绍增材制造发展动态、前言技术、与增材制造相关的材料表征技术分析打印结构的质量检测和未来标准化。

（4）在课程的第13～15 周，实验小组展示讲解打印的结构，经过前期实验设计、打印材料选择及实验结构分析，将实验过程和实验心得以PPT 的形式向学生展示。

（5）在课程第16 周和第17 周分析实验测试结果：利用共聚焦显微镜和尺寸分析软件。在第13 周至第14 周期间，从互联网收集工业界和学术界专家的专题讲座或教学。在创新创业方面，向学生播放增材制造技术和初创企业进入实际生产应用（如航空航天、轨道交通、先进传感方面）所面临的困难，让学生了解增材制造技术适应于加工什么特点的零件。

在课程结束时，对学生进行问卷定性调查，调查问卷中包括：从当前的增材制造课程中学到了什么？学到了什么有价值的工具？分组时团队选择你的原因是什么？课程的缺点是什么？如何改进？等问题。

2.2 课程实验环节的探索

经过课程的课堂教学，学生接触到了选择性激光烧结、喷墨打印、电喷打印、双光子聚合等多种增材制造技术，掌握了不同技术的原理、特点和应用范围等。在课程实验环节，同学们参加电喷打印，并接触电喷打印技术的预处理、打印成型和结构表征，电喷打印基本原理如图3。每5 个学生为一组选择实践环节，实验任务涉及机械设计和打印一个基于电喷打印的微纳三维结构，每组学生设计并打印结构后，向同学们讲解小组在打印过程中遇到的困难与心得。向学生介绍材料表征和力学测试，分析增材制造制备的结构与传统方法制备的在性能方面存在的差异，并分析其两种方法的优缺点。

图3 电喷打印技术基本原理

在学生的实验课环节中，学生以5 人一组的方式设计和打印微米尺度结构，任务分工如图4。为了让学生更好做实验，课堂上指导学生：开发和讨论CAD模型；将CAD 模型转换为STL 文件；软件自动导入控制系统；配制相应的打印溶液；选择3D 打印参数；装载打印材料和衬底，确定衬底在热板上的位置；打印结构和测量打印结构的尺度特征。增材制造实验环节侧重于知识的综合应用，并为工程专业学生提供工程实习的机会，通过与项目、团队合作的互动来学习增材制造流程和专业技能。学生们被要求测量打印部件的主要尺寸，并根据CAD 模型将这些尺寸与可预测的尺寸进行比较。

图4 分组及任务分工

2.3 打印结果分析与总结

通过调整打印参数可以获得不同尺寸的结构，如图5 所示，3D 打印机性能和材料直接成形等关键参数是影响打印零件质量。学生通过打印、观察和表征部件，撰写总结报告。针对小组撰写的报告，教师会修改内容，以提高学生的表达能力。如某小组对实验结果总结：施加电压对线宽影响的统计分析图所示。可以看出，在较高的施加电压下，减小打印溶液流量可以获得较高的线结构分辨率。当外加电压增大时，打印溶液表面的电剪切力增大，导致射流向基板移动速度加快，射流变短变细，从而导致打印特征尺寸减小。

图5 微结构尺寸分析

通过实验总结报告及交流环节，学生们需要思考以下问题：这种结构用增材制造技术制备是最好的选择吗？为什么？如何假设增材制造技术限制会影响打印对象的性能？影响打印结构的缺陷的主要原因是什么，为什么会出现缺陷？如何改进工艺以减少或消除缺陷？打印结构的哪些特征对其功能至关重要？打印件尺寸特征是否与设计值一致？如何重新设计以保证改进的质量和功能？

3 结语

利用增材制造技术制备复杂、小批量的3D 结构是目前最优选之一。因此，增材制造作为具有巨大潜力和商业价值的先进工艺受到了极大的关注，它被广泛应用于众多领域和工业应用，其中包括教育、医疗植入物和设备、汽车零部件、航空航天和飞机部件、比例建筑模型、珠宝和艺术品等。增材制造技术的日益普及巨大市场需求需要创新的授课方式。因此，教授工程学生增材制造课程，是新工科背景下高校教改的一项工作。在探索增材制造课程授课方式，包括增材制造的基础知识，主要3D 打印方法，材料选择和增材制造的潜在工业应用。实验作为增材制造课程的重要环节，分组开发和3D 打印零件，并分析不同增材制造技术的优势与适应度，有助于培养工科学生的批判性思维和解决问题的能力。此外，增材制造课程及涉及到的打印装置、材料、程序、控制和结构表征，提供了一个交叉融合的掌握多学科知识的工具，涉及到创造力、与其他学生的互动和交流，它为学生和教师提供了一个创新授课方式的途径，有助于学生将想法转化为现实，利于激励他们参与工程难题和复杂的任务。