数控雕刻技术的水泥基材料智能制造实践教学探索

2023-02-20朱洪波

实验室研究与探索 2023年11期

朱洪波

（同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804）

0 引言

随着《中国制造2025》发展战略的深入推进，带动了全社会普遍关注对智能制造人才的培养。在土木工程专业领域，许多高校陆续开设了以BIM 和“3D 打印”技术为代表的相关实践课程，有些研发了基于BIM技术的实践教学素材并应用于毕业设计［1］，或以CDIOF（构思＋设计＋实施＋运行）思想指导BIM 学习和应用［2］，总结出BIM在实践课程中的关键影响因素及其适用范围［3］。也有高校将BIM 引入传统相关课程，如“土木工程施工”中［4］，利用BIM 强大的信息功能及其“模拟性、可视化和协调性”引导学生通过三维建模来提高空间想象力［5］，或搭建“实体＋虚拟仿真”的综合实验教学平台，设置“知识、建模、程序编辑与操作、应用与评价”或“培训应用、虚拟软件研发体验、成果展示”等教学模块，并将其进行物理空间分区［6-7］。有些还将其与“装配式建筑技术”课程［8］、校企合作和实践基地资源等融合开展［9］。相对来说，开展3D打印课程建设的报道较少，因其对材料的流变性、打印工艺甚至工作环境、指导水平的要求较高［10］，不易获得满意的完整作品，并且其打印装备亟待优化和改进［11］，另外，硬件投入大、软件配套难和打印周期长等都是制约其快速形成实验课程的障碍［12］，有建议将其与同类科研项目结合来建设实验课程，不失为一种有效方法［13］，但可推广性有限。事实上，国内外的建筑3D打印技术尚不成熟且在不断发展，其虽备受关注但并不适用于所有高校的实验课程建设。本文探索采用数控雕刻技术制备水泥基装饰制品，并将其建设成为土木工程材料专业学生的智能制造实践课程，取得良好效果。

1 数控雕刻仪器

1.1 硬件

目前，数控雕刻设备的生产制造与使用工艺技术较为成熟，型号齐全，可选择的功能搭配较多，便于建设单位根据所需确定设备选型及其配置。其基本功能是进行平面雕刻，可获得浮雕式装饰制品，线条与纹理细腻，艺术表现力充分；如果增加配件，还可完成三维立体雕刻作品。同济大学先后购置2 种型号的数控雕刻机，如图1 所示。

图1 数控雕刻机

该类设备对安装和使用环境的要求不高，根据不同型号（型号决定了一次性雕刻成型作品的最大尺寸）只需提供相应的、有电源的配套空间即可，并且可选220 V（小型，适用于对雕刻头阻力不大的雕刻加工）或380 V（大型，可提供较大动力，雕刻高硬度材料和高速雕刻）电源，安装、调试后即可使用，供应商一般都提供详细的纸质和视频操作指南，帮助教师和学生快速上手、熟练掌握。同时，供应商还会提供或从网上免费获得简易雕刻程序，让初学者很快就能制造出具有一定实用性或观赏性的雕刻作品，从而立即树立信心和激发学习兴趣。

1.2 实际应用

该类机械在木雕、石刻等建材或瓷雕、玉雕、金雕等其他各领域早已广泛应用，所生产的雕花家具、石碑篆刻、广告铭牌、金玉瓷器、艺术挂件等实用产品已很常见，从网上可看到各类相关产品，如图2 所示。

图2 各种雕刻产品

1.3 实验项目建设投入

（1）主要设备。作者学校购置了配置齐全的2 种型号数控雕刻机，单价分别不到3 万元和7 万元。相对于动辄10 万元以上的砂浆或混凝土3D 打印机械来说，雕刻机设备投入大幅度降低。

（2）设备耗材。主要来自雕刻头的磨损更换，其一般只有圆珠笔芯大小，各种材质的雕刻头售价从几元到几十元不等，根据所雕刻板材的硬度不同选择雕刻头材质，一般每个雕刻头可支撑多个小件作品的全程加工，总体消耗不大。

（3）雕刻板材。常用木质、金属质、石材、瓷砖、水泥板等板材，对其基本要求是结构致密、均匀、无纤维节理、无气孔、无裂纹，以免雕刻出的纹理细腻程度受到影响，除非有意利用材料自身的不均质性来体现特殊的图案背景效果。满足要求的木板一般为硬质的红木、枣木、榆木等，比一般木板要贵一些。各种适合雕刻的板材均在市场上有售，尺寸型号丰富，方便易得。

（4）转换作品图案的CN代码。简单图案可教会学生按照转换步骤自行完成，如果课程无需学生掌握该技能也可委托完成，目前市场上有专业机构或公司代为转换，根据图案的复杂程度不同而收费不等，简单的常见图案如木雕常用的祥云边框图案、砖雕上常见的“福、寿、佛”等字＋花边图案等，甚至免费或收费低至十几元。当然，复杂的大型图案转换费用可能高达每件几千元。建设单位可预先准备图集，供学生自主选择。

2 雕刻与成型工艺

浮雕作品雕刻操作的工艺过程如下：

（1）选择要呈现的艺术或装饰产品图案。这些图案可以是自行设计的或拍摄照片的电子文件，无论其以何种格式保存，均要先将其转换为雕刻机可执行的CN代码程序文件，打开雕刻机主机及其控制系统软件，将雕刻头移动到初始位置并在程序中设定为工作“起点”，然后找到并执行该文件即可由机器自动完成雕刻过程。

（2）选择适当的雕刻板材。板材厚度根据其材质的力学性能、平面尺寸、雕刻深度以及对板材抗弯性能的要求来确定，当然还要适应设备的最大加工尺寸要求，并且要选择硬度足够的雕刻头。对于超出设备尺寸限制的作品，可通过分块雕刻来完成。

（3）成型工艺。根据是否单品或批量生产该图案作品，一般分为直接雕刻成型和翻模浇筑成型两种方式。对于单品通常在适当的板材之上直接雕刻出成品；而对于批量作品可利用雕刻图案通过翻模、浇筑成型，其翻模材料目前市场上常用模具硅胶，其为流动性较好的液态，可充分填充于雕刻作品的各种纹理之中，在其配套固化剂的作用下经过一定时间固化，再向该硅胶模具内浇筑成型材料如水泥浆，即可得到复制的批量产品。因为翻模工艺并不利用直接雕刻的板材进行浇筑，所以可选择硬度较小的板材作为雕刻模板。作者通过大量尝试建议采用石膏板，可在建材市场购置石膏粉自行浇筑不同厚度的板材，其成本极低，并且对雕刻头的磨损较小，可得到非常细腻的纹理。

（4）雕刻程序。雕刻作品的CN代码被称为运行雕刻机的“路径”，有专门的教程指导转换，但该工作需要耐心且耗时较长，根据不同的训练要求可让学生学会转换方法，也可委托转换。

3 教学实践

3.1 学科竞赛

利用6040 小型雕刻机，借助大学生创新训练项目（SITP）和学科竞赛等机会，既锻炼师资队伍并熟悉装备习性，也先后支持了多批次、多层次（国家级、市级、校级和企业）的竞赛项目，利用该仪器完成设计和制作创意作品。在由作者单位主办的年度赛事《全国土木工程材料创作品设计大赛》和由企业承办的上海地区《材料创意大赛》中，依托该设备完成大量参赛作品；同时，学生还将数控雕刻工艺应用于由美国土木工程协会举办的《中太平洋地区大学生土木工程竞赛》，用于制作“水泥轻舟”。另外，作者还将该工艺用于国家“十三五”重点研发项目中，开发出系列水泥基艺术人造石产品并开展了产业化推广。

由学生分别按照“分区雕刻＋翻模＋组合后浇筑”方法（图中有拼缝）和一次雕刻成型制作的部分水泥作品见图3。

图3 学生制作的水泥艺术人造石作品

通过尝试，指导教师完全掌握了相关工艺、设备和软件等关键技术，并形成了系统、完善的雕刻工艺技术规范；同时也充分了解了利用该技术指导学生开展智能制造训练的各种方法，并建立了指导学生开展创意设计、过程监督和效果评价等系统管理模式，为后续正式立项成为本科生专业基础实验课程奠定了良好的基础。

3.2 实验课程

（1）实验项目设置。该项目与分别采用金属、高分子和水泥等材料开展的3D 打印实验项目一起被列入材料类“专业基础实验课程”中的“材料智能制造实验”课程，面向全校各专业学生自选，具体实验项目名称定为“数控雕刻成型水泥基装饰材料实验”。

（2）课程培养目标。定位为“了解和掌握现代水泥基材料智能制造技术和装备，运用数理化和材料专业基础知识，设计和制备建筑装饰材料”，通过课程培养学生在该技术领域的“创造、动手、实验操作和成果表达能力”。

（3）针对课程培养目标的指标点。结合教育部“工程认证”的工作要求，制订了详细的教学任务指标点细则，包括运用数学知识建模、文献收集与分析总结、制订针对复杂工程问题（个性化装饰图案和效果）的解决方案、制订科学可行的实验方案以及熟练掌握或利用数控雕刻仪器、设备、场地开展实验并保障安全，等。

（4）具体实施。

A.课程内容。分为理论、设计、实操和总结四大板块。理论部分主要包含可用于建筑领域的各种制造工艺、原理、主要装备、采用的软件和制备方法等；设计部分包括立体图案的选择与设计和制备材料设计，前者包括运用教程将各种图案转换为CN 代码的知识，后者的材料设计主要针对建材专业学生并用于“翻模”成型工艺，要求学生按照所学土木工程材料基础知识，设计浇筑成型水泥板材的胶凝材料、骨料、增韧增强材料以及颜色外观等，其中还重点强调了目前市场上较为流行的、“清水混凝土”的材料设计及其制备方法，另外还要克服大面、薄壁的水泥板材作品到后期容易出现的翘曲、变形问题；实操部分包括设备的基本操作要领，如雕刻头定位、换刀（雕刻头）、暂停、图案拼接、成品修饰以及设备的常用功能知识等；总结部分除了实验报告以外，特别重视学生通过该实验的收获和体会，并以固定的“实验报告”格式明确该部分所占考核的比重。

B.实验项目设计。根据材料与非材料专业的学生，分两种模式进行实验教学，两种模式下均提前发给学生相关视频使其初步认识相关知识，并要求各实验小组提前选好拟雕刻的装饰图案。对于非材料专业学生，其主要学习目的和要求是了解建筑及其材料制备中的智能建造知识，以及关键设备和制造工艺，教学内容具有科普性质，因此其课程主要分为理论＋实践两大环节，各安排2 次（每次2 课时）课程，并且其雕刻作品一般为简单图案，如简笔画、动漫截图、规则图形等。理论课后要求学生在课下完成雕刻作品图案的CN代码转换，在实践环节集中讲解相关课程内容并演示操作方法，然后利用课余时间分组、依次完成上机雕刻操作。对于材料专业的学生则增加了翻模浇筑材料设计的内容，所以正式的课时量为5 次10 学时，即按照课程内容的四大板块各安排1 次并增加1 次浇筑硅胶模具和成型水泥石的实验操作，相应地每次课后任务也更丰富，比如所选的图案更复杂，导致CN代码转换工作量更大，特别是对翻模浇筑材料的设计部分，要求采用轻质超高性能混凝土UHPC 材料并要达到“清水混凝土”的外观，最后成型的作品板材厚度应尽可能薄但又足够坚固、不易在搬运中断裂，满足可悬挂、安装的基本要求，等等。

C.实验项目保障。首先，关键设备雕刻机的数量配备根据各校条件设置，只要有一台即可开课，但要求实验室的开放程度较高，能够利用夜间、周末等课余时间供上课学生完成作品雕刻。一般单件作品均可在一个夜晚全部完成，更多的雕刻机复套数当然更有利于该课程所有学生集中完成实验操作。其次，要求师资能力充沛，既要具有充分的理论知识，又要熟练掌握硬件操作和设备的运行、维护等配套工作，进而能够高效、准确地指导学生的实操训练并纠偏、纠错，当然还要提前准备好雕刻头等易损件和雕刻板材、翻模硅胶、浇筑材料等。

4 教学效果

4.1 实践项目

（1）借助数控雕刻实践课程开展的多项各级大学生创新项目获得很高的结题验收评价。

（2）利用雕刻工艺制作的土木工程材料创意作品屡获学科竞赛大奖，多件作品被其他单位选中做科技展品。

（3）通过雕刻工艺所建造的水泥轻舟外观相比传统手工涂抹方法显著改善，并成为参加该美国赛事的关键技术亮点之一，为本校多次获得分赛区冠军做出了重要贡献。

4.2 实验课程

（1）基于数控雕刻工艺所设计的土木工程材料智能制造实验项目，作为重点内容列入新的《实验教学大纲》。

（2）该实验项目备受学生喜爱，选课踊跃，首次开课就有很多非材料专业学生选修该实验课程。

（3）实验内容充分体现了设计性、综合性和开发性、创造性等目前国家倡导的实验教改方向。尤其针对建材专业学生的项目内容，不仅涉及了现代智能制造技术，还要求学生综合运用水泥、混凝土专业的基础知识进行作品浇筑板材的材料设计，将多学科知识有机地融入一项具有艺术性和趣味性的实验中，实践中显示出对学生较强的吸引力。