增材制造技术应用及其高层次人才培养的探讨

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(江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州213001)

教学管理

增材制造技术应用及其高层次人才培养的探讨

何庆，刘凯磊，臧爱琴，陈峰

(江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州213001)

分析了增材制造的基本原理，说明了激光熔覆作为增材制造的一种技术手段在表面改性方面的应用。在此基础上提出了通过建立公共平台、加强实践教学及采取以赛带训等措施为增材制造培养高级应用型人才。

增材制造；3D打印；人才培养

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)是一种与传统的机械制造材料去除加工方法相反、基于三维数字模型、选用合适熔敷工艺、采用逐层制造方式将材料结合起来的新技术。该技术简称 3D打印技术 (3D Printing)[1]，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术。

增材制造技术作为“中国制造2025”战略实践的突出代表之一，目前已是当今科技界中耀眼的明星，作为智能制造中“智能生产”、“智能工厂”和“智能物流”三大核心主题的关键技术，增材制造技术符合目前新产品研发、小规模生产和手工制作等的要求，可促使生产过程向快、好、优的方向发展，以满足用户的个性化需求，增材制造技术代表了智能制造的发展方向。

增材制造按照加工材料的类型可分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等，以下结合江苏理工学院机械工程学院(以下简称我院)的科研和教学研究实际情况，仅就金属成形中的激光熔覆技术进行说明。

1 激光熔覆技术

激光熔覆技术作为增材制造技术的一种类型，是指在被涂覆基体表面上放置不同的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化并快速凝固后，与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工艺方法，其原理如图1所示。

图1 激光熔覆技术原理

激光熔覆技术作为21世纪装备再制造的关键技术之一，具有广泛的应用前景，目前已受到工程技术人员和企业的高度关注。我院在此方面的科研教学设备为YLS-4000 W光纤激光器，如图2所示。

图2 YLS-4000 W光纤激光器

增材制造技术方面的研究及应用主要有以下四个方面。

(1)H13钢表面激光熔覆技术。H13钢(4Cr5MoSiVi钢)是一种热作模具钢，在模具中常出现的材料缺陷有裂纹、折叠、疏松、缩孔残余、偏析及球化组织质量差等问题，导致在使用过程中常发生失效破坏，如热疲劳、断裂、热磨损等。研究了激光熔覆技术在H13钢表面熔覆材料体系的应用、激光熔覆工艺参数对H13钢微观组织与性能的影响、激光熔覆的数值模拟以及发展趋势。

(2)研制新型涂层，对涂层材料进行优化设计。H13钢熔覆的粉末材料主要是自熔性合金材料以及金属基陶瓷复合材料等。分析了增强相颗粒对H13钢表面激光熔覆层性能的影响，研究表明，含有适量稀土元素的熔覆层性能更加优良，特别是在H13钢表面形成了耐磨、耐腐蚀的熔覆层，但稀土元素添加过多会增加疲劳微裂纹的产生。

(3)开发新的加工工艺，将激光熔覆技术与传统的材料性能处理技术相结合。降低熔覆区的热应力，解决涂层易开裂的问题，如熔覆层前后的热处理、力学冲击等。加强增材制造工艺技术研发，提升3D打印工艺技术水平。

(4)开发智能材料、仿生材料、超材料、低成本增材制造材料。

2 增材制造技术的人才培养对策

增材制造技术发展突飞猛进，但与此相关的高层次人才培养却跟不上新技术的发展，已成为增材制造技术进一步发展的短板。增材制造技术广泛应用的限制性因素主要有以下几个方面：① 材料限制；② 成本制约；③ CAD/CAM数字化人才限制；④ 3D打印产品的性能缺陷。为此，有必要探索与增材制造相配套的高端人才(如专业硕士)培养问题。

2.1 建立增材制造公共教学平台

工业和信息化部工业文化发展中心等单位2017年建立了“增材制造公共服务平台”[2]，在高校构建教育教学实验室、技术研究实验室和创业创新中心“三位一体”的教学平台，为增材制造技术培养高端型、中等型和普及型应用人才。促进高校人才培养在增材制造技术方面的专业化、职业化和市场化，将学术研究及其技术成果转化为生产力，已成为人才专项行动与市场、资源对接的有效途径之一。增材制造技术人才培养平台模型如图3所示。

图3 增材制造技术人才培养平台模型

根据“国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)”[3]，依托已有增材制造优势的高校和科研机构，建立或健全增材制造人才培养体系，积极开展高校机械类、材料类等专业教师增材制造知识培训，组建“双师型”教学团队，支持有条件的高校设立增材制造学科或专业，高校与企业通过产、学、研联合办学或建立增材制造人才培养及实训基地。

2.2 增材制造进课堂，设立《增材制造技术》新课程

《先进制造技术》是我校机械工程专业研究生的学位课，我们在讲授此课程时就将3D打印技术融入到教学中，包括3D打印技术的原理、发展及应用，建模工具的使用，打印设备的操作与调试，以及三维扫描技术等。通过此部分内容的学习，低年级的研究生能够设计实体模型并利用桌面级的3D打印设备(打印材料为尼龙类)打印制作出其作品；高年级的研究生结合毕业论文，在工业级的3D打印设备(打印材料为金属)完成激光熔覆制造。

应积极创造条件，逐步将增材制造技术从《先进制造技术》课程中独立出来，设立新的研究生课程《增材制造技术》，主要讲授逆向建模技术、3D打印成型材料、增材制造设备、增材制造技术与应用等，编写理论与实训有机结合的应用型新教材，以培养增材制造技术的中高端人才。

2.3 以赛带训

为了活跃学术气氛，调动研究生(或高年级本科生)学习的积极性，可以采用以赛带训的办法，即“以赛促教、以赛促训、以赛促用、以赛促新”。该模式符合时代发展，体现了科技进步和产业升级的要求，是大众创业，万众创新的新实践、新发展之一。我校机械工程研究生王康等学生参与2017年5月在沈阳举行的“永冠杯”第八届中国大学生铸造工艺设计大赛，获得研究生组二等奖、三等奖各一项。此外，对全国三维数字化创新设计大赛中具有独创性及市场前景的项目，也提供一定的软件及项目基金支持，以搭建增材制造技术人才就业促进体系，促进人才培养与就业协同发展。

2.4 增添新型实训设备

为提高增材制造技术专业人才的动手能力，一些院校纷纷建设了3D 打印实验实训室，但由于初期对增材制造技术及发展趋势了解不深，FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型)占据了实验设备的主体，即使有高端的工业级3D 打印设备也出现开机不足等情况，导致一些实验实训设备难以发挥其应有的作用[4]。相关企业及部分院校可考虑淘汰部分FDM 设备，引进新型及高端工业级3D 打印设备，并提高已有3D 打印设备的利用率。增材制造装备及主要器件见表1，各高校可根据自己的专业及科研情况选择使用。

表1 增材制造装备及主要器件

类别名称金属材料增材制造装备激光、电子束高效选区熔化、大型整体构件激光及电子束送粉、送丝熔化沉积等增材制造装备非金属材料增材制造装备光固化成形、熔融沉积成形、激光选区烧结成形、无模铸型以及材料喷射成形等增材制造装备医用材料增材制造装备仿生组织修复支架增材制造装备、医疗个性化增材制造装备、细胞活性材料增材制造装备等增材制造装备主要器件高光束质量激光器及光束整形系统、高品质电子枪及高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、阵列式高精度喷嘴、喷头等

2.5 引入众创服务

积极创造条件，引导部分喜欢创新创业、热爱增材制造技术的研究生及大学生到高校的众创空间及机构，以众创服务平台为后勤支撑，以小型化的文化创意作品为起点[5]，逐步过渡到以专业化产品为目标的创业历程，实现创新、创业的产品化和人才化。

3 结束语

要提高现代制造业，特别是以增材制造技术为代表的新技术的人才培养模式及科技成果的转化率，需要政府、高校和企业三方面共同努力，协同创新，以市场为导向，以高校为基地，以企业为主体，促进增材制造新技术的人才化、产业化和应用化。培养“一懂二会”(懂3D建模设计、会产品快速制造、会经营管理)的高端人才，推动传统工业体系智能化变革，打造符合高端人才培养目标、满足“十三五”国家战略性新兴产业(增材制造技术)发展规划所需求的高层次技术型人才。

[1] 刘琦，梁晓康，陈济轮，等.增材制造技术的应用及其发展[J].机床与液压，2016，44(5)：183-188.

[2] 增材制造研究院.中国增材制造产业推进工程[EB/OL].[2017-05-22].http：//www.miit3d.com.

[3] 工业和信息化部关于印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》的通知[EB/OL].[2015-02-11].http：//www.miit.gov.cn/n1146285/ntent.html.

[4] 耿佩.高职院校3D 打印技术人才培养模式研究[J].工程技术，2017，23(3)：291.

[5] 王刚，王微，邢昌，等.应用型本科院校3D 打印技术人才培养模式探讨[J].长沙大学学报，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

江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题项目(JGLX16_0722)；江苏理工学院高教研究项目(JG13067)；教育部国家级特色专业建设项目(TS10848)

何 庆：(1964-)，男，安徽霍邱人，教授，硕士，主要从事先进制造技术的教学与科研工作，E-mail：qqaa611@163.com。

(责任编辑 王琦)