增材制造技术及其在职业教育中的应用

余水晶

增材制造技术在现代社会的应用越来越普遍，被看作是工业领域的重要科技突破，并有望推动“第三次工业革命”的实现。增材制造技术的出现让个性化的定制与生产成为可能，在珠宝设计、航空航天、汽车制造等众多领域有广阔的应用空间。我国高度重视增材制造技术产业的发展，其在一些领域的应用已经比较成熟，但在教育领域尤其是職业教育领域，并未得到大面积普及和推广。

一、增材制造技术简介

（一）增材制造技术的定义

增材制造技术（Additive Manufacturing AM）通常被称为3D打印，是依据产品的三维CAD模型，运用材料累积成型的原理，通过相应的程序控制将材料逐层堆积粘接，制造出实体产品的数字化制造技术。相较于传统的材料去除技术，增材制造技术是一种自下而上材料累加的制造方法，其以独特的工艺，把三维物体分成无数个二维层片，逐层堆积起来。增材制造综合运用材料科学与工程、激光、计算机、精密传动与数控、粉末冶金等现代与传统技术，实现零件或产品原型的直接快速制造，为产品创新设计和快速制造提供了新的技术手段。

（二）增材制造技术的原理

增材制造技术利用3D打印机逐层打印的方式来快速制造产品。3D打印机可以将塑料、金属、陶瓷等材料作为制造耗材，打印机由步进电机控制系统、温度控制系统等进行程序控制，根据模型切片分层后，生成打印喷头移动路径或者激光扫描路径，对材料进行由离散到堆积过程的加工，最后制造出三维实体模型。

二、增材制造技术的特征

一是增材制造技术特别适合于传统技术不能处理的且较复杂的几何构造。它不但能够生产有复杂型腔的超大中型零部件，还能够生产一些非常复杂的中小型零部件。二是增材制造技术非常适合用于小批量复杂零件、备件及个性化产品设计的快速生产制造。与我国传统工艺和其他生产技术相比，直接生产终端部件有着更突出的成本优势。如增材制造技术在航空与航天领域的成功应用等。三是增材制造技术可使设计师将设计思路迅速转变为三维空间设计实体，进而为零部件设计原型、组装、功能测试、设计检验与纠错等提供更高效的三维空间优化与设计手段，推动产品设计的科技创新与性能优化。四是增材制造技术不需传统的机械工具、夹具、模具等，就能够在同一个装置上迅速、精确地制造任何复杂形式的汽车零部件，进而达到零部件的“自由制造”，简化制造过程，降低工艺难度，大大减少了制造时间。五是增材制造技术可以适应航空兵器等装备研发中低成本、缩短周期的需求。据统计，国内大中型飞机上钛合金零部件的原材料使用率很低，一般都不高于10%，若采用高能束流式增量生产技术，可以节约2/3以上的金属材料，而数控整机工艺时间至少可以缩短50%。

总的来说，和传统的切削加工等制造方法相比较，增材制造技术无需对物体进行切削，直接出成品，缩短了样品的制造周期，同时减少了材料的消耗，大大降低产品成本，使得设计者能够更充分地按照产品设计功能的现实需求进行产品设计工作，而不用受到造型设计烦琐、实际生产困难带来的思维局限。

三、增材制造技术在中职院校中的实际应用

（一）增材制造技术融入抽象的理论教学

增材制造技术易于将抽象的设计变为现实，这方便教师对教学、设计进行分析论证，同时也方便学生直观学习。职业院校学生相对学习基础较差，专业课中有些知识过于抽象，不易理解，而引进增材制造技术进入课堂，教师可以根据实际教学需要，打印出所需的三维实体模型，将抽象的专业理论知识转化为具体的实物模型，最终呈现在课堂上，学生可以更具体和形象地理解抽象知识。

对职业院校学生来说，一个具体的实物模型胜过教师或书本上成千上万句的语言描述。如：机械工程专业学生可以利用增材制造技术制作出所设计作品的零件原型，或者是可直接使用的蜗杆、连杆、齿轮等零部件;建筑类专业学生可以打印出建筑设计作品的微缩三维模型;动漫设计专业学生可以打印出自己创作的人物、物品道具;食品专业学生则可以利用增材制造技术制作出菜品的展示模型;等等。所以，教师将增材制造技术运用到理论教学中，可以将抽象的理论知识变得可见、易理解，加深学生对专业知识的掌握，提高学习效率。

（二）丰富职业院校教学体系，加强各学科交流

增材制造技术涉及的领域包括汽车制造业、机械制造业、电子信息、航空制造、医学、轻工业等，所涉及的学科知识包括机械工程、金属材料、材料成型、电子工程等多种专业，共同构成交叉学科系统。例如，在金属增材生产技术领域中，选择性激光材料熔化工艺技术、电子束选择性熔化工艺技术、焊接电弧等离子送丝工艺技术等，在金属增材生产过程中所用的原料都必须与冶金工艺结合，以产生更精密可用的金属零件。

金属增材制造技术涉及物质科学基础、金属材料加工成型原理、传热学等材料工程专业中有关的理论和内容。在这些关联学科的教学过程中，教师利用增材制造技术能够增加教学的直观性，充分调动学生的学习积极性。所以，利用增材生产理论与加工成型技能，能够为工程专业的教学提供技术支持，丰富了增材制造成型专业的课程体系。一方面，职业院校学生能够认识增材制造成型新技术，以及我国传统机械加工、热成型工艺技术之间的关联;另一方面，也增强了职业院校学生对智能加工新技术的认识，从而培养了职业院校学生对工业技术的兴趣。

（三）创新教具，用于课堂情境教与学

在职业院校的课程体系中，理论知识与实践的相关性强，要求学生有很强的空间想象力及构造能力，学习难度较大。近年来，职业院校应用多媒体教学，也取得了不错的教学效果，但是，多媒体教学受限于虚拟技术，对学生的空间思维能力和构造能力有一定要求，大部分学生学习一些抽象知识还是很吃力。研究发现，在职业院校的实际教学中，学生对实物模型的教具更感兴趣，教学效果也更好。然而传统的实物教具模型过于老旧，更新成本高，周期长，且没有与不断更新的专业知识及创新型教学案例相结合，对实际的教学活动帮助较小。增材制造技术将有益教学的模型打印出来，最终呈现在课堂上，使教学内容实物化，是一种现代制造技术和教学相结合的创新。这一方面，解决了传统教具加工成本较高、更新周期长的问题，提升了教学质量，实现现代先进制造技术与职业教育教学模式的结合;另一方面，利用增材制造技术可轻易实现教具定制化服务。教师可根据不同课程，不同学情，个性化定制实物教具，顺应创新型教育发展的趋势。

（四）提高职业院校学生的自主创新能力

创新是一个民族、一个国家进步的灵魂，培养职业院校学生的想象力、创造力、独立思考能力至关重要。创新精神的初期是兴趣和求知欲，自主创新能力是将想象的创意付诸实践，并有效实施的一种能力。许多职业院校创建了科技兴趣小组或重视毕业创新作品设计环节，以鼓励学生自主创新，但往往一些创意想法都囿于产品实现困难而被迫终止。增材制造技术的出现彻底改变了这一现状，创意设计不再局限于传统加工能力或零部件获取困难的难题，利用这一技术可以快速制作出学生创新设计过程所需的零件，职业院校学生可以轻易将自己的创意变成成品。增材制造技术辅助创新教育的理念，可激发职业院校学生对某些科学过程或现象进行可视化的展现，为学生创新提供一种更加高效的形式，提升学生的创造性思维、动手能力，以及发现问题和解决问题的能力。

总之，增材制造技术具有突破与创新的特点，具有顽强的生命力。增材制造技术应用于职业教育，特别是在较为枯燥的工程专业教学中，能帮助职业院校学生获取直接的认知体验，促进学生立体化地获取和理解专业知识，拓展了学生的创造性思维，提高了学生的自主创新能力。在增材制造技术的基础上提出的教学模式，是对职业教育课程改革下的教学模式的大胆尝试。

（本文系海南省教育科学规划课题“海南中职教育增材制造技术人才培养研究”的成果。课题编号：Q JY20191054）

（责编 桑 涛）