结合3D 打印对铸造实践教学的探索与改进

2020-08-02马宇超武国瑞

中国铸造装备与技术 2020年4期

杨兵，杨静，马宇超，杨旭，武国瑞，陈磊

（沈阳航空航天大学工程训练中心，辽宁沈阳 110136）

随着社会及工业的不断进步和发展，具有高素质的综合性工程人才越来越受到重视，而各高校工程训练作为培养高素质工程人才的重要实践授课环节，既为机械类专业学生的实习实践提供了重要创新创业教学平台，又为其他专业学生的工程素质提升提供了教育教学场所[1]。对培养学生的实践动手能力和创新精神发挥着重要作用[2]。

铸造实训作为工程训练中传统实训项目之一，由于理论知识抽象、工艺复杂、操作繁琐等因素的影响，一直是实训课程中较难掌握的项目。也正是由于上述因素的影响，造成了学生对铸造实训课程不感兴趣，容易产生倦怠情绪。但铸造技术作为制造复杂零件最灵活、最有效的加工手段一直是现代制造业中最关键的环节[3]，所以如何改进现有铸造实训教学模式及方法，提高学生的学习兴趣，培养学生的实践动手能力和创新精神是本文探讨的主旨所在。

1 铸造实践教学的现状与存在问题

1.1 工程训练及铸造实训现状分析

中美贸易战火持续不断，美国一纸禁令将中兴推入危机旋涡之中，同时也引发了关于自主创新的深思。培养具有创新精神和创造性思维的创新型工程技术人才已成为国内各高校工科类专业培养目标[4]。各高校工程训练作为培养学生创新精神和创造性思维的高校重要实践课程，越来越受到各高校的重视，而传统的工程训练实践教学模式是否能顺应潮流，培养学生的创新精神和创造性思维，则受到了大多数人的质疑，传统的工程训练一直延续“讲学做”教学模式，老师讲课学生听讲，老师演示学生模仿，这样的传统授课模式学生往往是机械的模仿，在头脑当中印象不深，而且工程训练往往是在规定的时间内进行多个工种的实训，这样的实训过程学生往往只是流于形式。教学模式的陈旧只是现在工程训练弊端的主要方面，其他方面的弊端也不同程度的制约着工程训练的发展。

而作为工程训练实践教学环节的一部分，铸造实训的教学也面临着同样的问题，现阶段铸造实训分为基础实践和创新实践两个部分，基础实践教学环节主要是使学生初步接触生产实际中较系统的操作，增强感性认识，结合理论教学，获得传统和现代铸造基本操作技能，为学生学习后续课程以及从事实际产品研发制造工作建立实践基础。创新实践教学环节主要是培养学生的创新精神，加深对传统和现代机械加工的认识，培养学生工程实践能力以及综合工程意识，铸造基础及创新实践教学安排情况如表1。

表1 铸造基础及创新实践教学安排情况

1.2 铸造基础实践教学现状与存在问题

传统铸造基础实践教学主要是教师讲解铸造相关理论知识及演示指导，学生理解铸造实训的相关理论知识，掌握铸造生产的工艺流程，熟悉铸造生产的实际操作方法，铸造基础实践教学模式如图1。

目前铸造基础实践教学模式比较单一，还是传统的“讲学做”模式，老师讲解理论知识，演示操作过程，学生机械的去学习、去模仿[5]，往往学生对这种教学模式提不起学习兴趣，不能真正的融入其中；其次铸造实训的理论知识比较抽象，而进行实训的学生都未进行过专业知识的学习，这样就造成了课程结束学生还是停留在对铸造工种刚刚了解的阶段，达不到实践教学的目的。

1.3 铸造创新实践教学现状与存在问题

铸造创新实践教学模式为3～4 名学生为一组，自主构思并设计符合手工砂型铸造生产要求的作品，并完成图纸的绘制、手工造型方法的选择及浇注系统的设计。根据图纸完成木质或者泡沫的模样，利用制作完成的模样及设计好的浇注系统选择合理的手工造型方法，以完成手工砂型铸造造型过程。制作出砂质铸型模具，之后进行金属液的熔炼及浇注，最后对铸造作品进行清整，分析成败原因，整个过程教师巡回指导。铸造创新实践教学模式如图2。

图1 传统铸造基础实践教学模式

图2 铸造创新实践教学模式

铸造创新实践教学以手工砂型铸造为基础，整个工艺过程长而复杂，任何一个环节的失败都会对最终作品的成败造成影响，尤其是木质或泡沫模样的质量直接影响作品的成败，现阶段木质或泡沫模样主要是学生手工制作，这样不但制作时间长，而且模样的质量也得不到保证，往往导致模样的制作环节浪费了大量的时间及精力，又或者质量不合格影响了接下来的工艺过程，这样直接影响学生铸造的积极性；而手工砂型铸造单调而又传统的操作过程又影响了学生们的热情。最终的结果常常导致学生们退而求其次，半途而废或者最终作品失败，使得整个铸造创新实践教学环节的教学质量大大降低。

2 铸造实践教学的改进与成果展示

针对上述铸造基础实践和创新实践教学存在的问题，不难发现改进传统的铸造实践教学模式是提高其教学质量的关键。通过学生的信息反馈及对铸造实践教学模式的不断探索，我们发现把现代的3D 打印技术结合到传统的铸造实践教学模式中是解决铸造实践教学存在问题的有效途径。3D 打印技术,亦称增材制造（Add material manufacture）技术，其原理是由三维软件设计模型,不需要传统刀具、夹具和机床，通过打印机软件将创建的模型分成若干个二维层面,然后将材料通过打印机喷嘴逐层堆积,就可以打造出任意形状,最终形成3D 物件成品[6]。3D 打印技术由于其可成型复杂结构件及无需模具的优点，自20 世纪90年代起已广泛应用到传统铸造领域中[7]，并随着3D打印技术的不断发展及其与铸造技术的进一步磨合，使3D 打印技术在铸造领域中的应用进入到了全新的阶段[8]，而这次把现代3D 打印技术结合到传统铸造实践教学中是对3D 打印技术在铸造领域应用的延伸探索。

2.1 铸造基础实践教学改进与成果

首先改进铸造基础实践教学理论授课环节的讲解方式，针对理论授课环节中的难点知识点，利用3D 打印技术制作所用教具如图3 所示，使学生更加直观了解铸造相关知识，提高同学们的学习兴趣；其次改进传统动手实践操作授课环节，传统操作环节为教师指定单一模样进行手工砂型铸造造型操作，学生热情不高，缺乏创新性，由于基础实践教学学时长，教师可提前设计并打印出多种符合整箱、挖砂及分模造型方式的砂型铸造模样（如图4）。同时学生在3D 打印实训教学中学习3D 打印相关知识，并完成各种模样的三维制图练习，之后在铸造实践教学中选取任意3D 打印模样，并根据不同模样选择不同造型方式，进行砂型铸造造型实操环节，这样大大提高了学生的学习热情，培养了学生的创新精神。

图3 铸造基础实践教学演示用教具

图4 部分3D 打印制作的模样

把3D 打印实践教学和铸造实践教学有机结合起来的新教学模式培养了学生们的工程意识，使学生们不再是以点来看工程问题，同时这种教学模式使学生在更好地理解3D 打印和铸造的相关理论知识的基础上，为创新实践课程的顺利进行奠定了扎实的理论及实践基础，改进后的铸造基础实践教学模式如图5。

2.2 铸造创新实践教学改进成果

基于铸造基础实践教学的理论及实践基础，对铸造创新实践教学也进行相应的改进，改进后的铸造创新实践教学模式如图6。首先改进模样的制作方式，采用3D 打印技术替代手工制作方式，设计并打印出符合手工砂型铸造的模样，大大缩短了模样的制作周期，并提高了模样的质量；其次更换传统型砂，采用水玻璃砂代替传统粘土砂进行造型，提高砂质模具的质量；最后改进熔炼及浇注方式，采用真空中频熔炼炉替代传统可倾式坩埚炉完成金属液的熔炼及浇注，这样缩短熔炼时间，提高了生产效率，同时金属液质量及浇注安全方面的问题也得到了显著的提升，铸造创新实践教学学生作品展示如图7。

图5 改进后的铸造基础实践教学模式

图6 改进后的铸造创新实践教学模式

图7 铸造创新实践教学学生作品展示

3 结合3D 打印的铸造实践教学改革的意义

对铸造实践教学进行上述一系列教学改革,产生了积极的作用。

首先，学生们的学习热情和积极性有了大幅度的提高，学生能够更好地理解铸造实训的相关知识，改进前学生被“填鸭式”灌输铸造理论知识，机械的模仿老师的操作，很难在学生的头脑中留下深刻的印象，而改进后学生们能很好地参与到整个实训教学过程中来，由被动教变为主动学，铸造及3D 打印相关知识就会在头脑中留下深刻印象。

其次，把3D 打印技术结合到铸造实践教学中来，使学生不再是以单一工种来看工程问题，而是以线或面来看我们的工程问题，真正的工程制造从来不是单一工种、单一加工方式的生产，都是各种加工方式及各个工种协同生产，而工程训练课程往往是把每个工种割裂开来的，每一个工种在规定时间内单独授课，这样就会使学生造成错误的理解，认为每一个工种之间没有必然联系或者联系不紧密。而通过此次教学改进，就能很好地让学生们知道零件的加工是各工种相互配合、环环相扣的，这样就很好地培养了学生的综合工程实践能力及意识。

效率的提升也为课程后续安排提供了充足的时间，改进前由于时间的关系，我们只能由老师来进行最后的总结，这样学生积极性不是很高，通过改革教学提高效率，可以要求每位学生都总结铸造作品成败的原因，并进行汇总，之后各组互评，最后老师点评，不但分析作品成败的原因，还对铸件作品产生的铸造缺陷进行了分析，扩展学习了特种铸造及现代铸造发展趋势的相关知识，使学生对铸造相关知识掌握的更加全面系统。

同时教学改革对实训教师本身也是学习锻炼的机会，使铸造实训教师对3D 打印相关知识有了很大程度的了解。