余水晶

增材制造技術在現(xiàn)代社會的應用越來越普遍，被看作是工業(yè)領域的重要科技突破，并有望推動“第三次工業(yè)革命”的實現(xiàn)。增材制造技術的出現(xiàn)讓個性化的定制與生產成為可能，在珠寶設計、航空航天、汽車制造等眾多領域有廣闊的應用空間。我國高度重視增材制造技術產業(yè)的發(fā)展，其在一些領域的應用已經(jīng)比較成熟，但在教育領域尤其是職業(yè)教育領域，并未得到大面積普及和推廣。

一、增材制造技術簡介

（一）增材制造技術的定義

增材制造技術（Additive Manufacturing AM）通常被稱為3D打印，是依據(jù)產品的三維CAD模型，運用材料累積成型的原理，通過相應的程序控制將材料逐層堆積粘接，制造出實體產品的數(shù)字化制造技術。相較于傳統(tǒng)的材料去除技術，增材制造技術是一種自下而上材料累加的制造方法，其以獨特的工藝，把三維物體分成無數(shù)個二維層片，逐層堆積起來。增材制造綜合運用材料科學與工程、激光、計算機、精密傳動與數(shù)控、粉末冶金等現(xiàn)代與傳統(tǒng)技術，實現(xiàn)零件或產品原型的直接快速制造，為產品創(chuàng)新設計和快速制造提供了新的技術手段。

（二）增材制造技術的原理

增材制造技術利用3D打印機逐層打印的方式來快速制造產品。3D打印機可以將塑料、金屬、陶瓷等材料作為制造耗材，打印機由步進電機控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等進行程序控制，根據(jù)模型切片分層后，生成打印噴頭移動路徑或者激光掃描路徑，對材料進行由離散到堆積過程的加工，最后制造出三維實體模型。

二、增材制造技術的特征

一是增材制造技術特別適合于傳統(tǒng)技術不能處理的且較復雜的幾何構造。它不但能夠生產有復雜型腔的超大中型零部件，還能夠生產一些非常復雜的中小型零部件。二是增材制造技術非常適合用于小批量復雜零件、備件及個性化產品設計的快速生產制造。與我國傳統(tǒng)工藝和其他生產技術相比，直接生產終端部件有著更突出的成本優(yōu)勢。如增材制造技術在航空與航天領域的成功應用等。三是增材制造技術可使設計師將設計思路迅速轉變?yōu)槿S空間設計實體，進而為零部件設計原型、組裝、功能測試、設計檢驗與糾錯等提供更高效的三維空間優(yōu)化與設計手段，推動產品設計的科技創(chuàng)新與性能優(yōu)化。四是增材制造技術不需傳統(tǒng)的機械工具、夾具、模具等，就能夠在同一個裝置上迅速、精確地制造任何復雜形式的汽車零部件，進而達到零部件的“自由制造”，簡化制造過程，降低工藝難度，大大減少了制造時間。五是增材制造技術可以適應航空兵器等裝備研發(fā)中低成本、縮短周期的需求。據(jù)統(tǒng)計，國內大中型飛機上鈦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產技術，可以節(jié)約2/3以上的金屬材料，而數(shù)控整機工藝時間至少可以縮短50%。

總的來說，和傳統(tǒng)的切削加工等制造方法相比較，增材制造技術無需對物體進行切削，直接出成品，縮短了樣品的制造周期，同時減少了材料的消耗，大大降低產品成本，使得設計者能夠更充分地按照產品設計功能的現(xiàn)實需求進行產品設計工作，而不用受到造型設計煩瑣、實際生產困難帶來的思維局限。

三、增材制造技術在中職院校中的實際應用

（一）增材制造技術融入抽象的理論教學

增材制造技術易于將抽象的設計變?yōu)楝F(xiàn)實，這方便教師對教學、設計進行分析論證，同時也方便學生直觀學習。職業(yè)院校學生相對學習基礎較差，專業(yè)課中有些知識過于抽象，不易理解，而引進增材制造技術進入課堂，教師可以根據(jù)實際教學需要，打印出所需的三維實體模型，將抽象的專業(yè)理論知識轉化為具體的實物模型，最終呈現(xiàn)在課堂上，學生可以更具體和形象地理解抽象知識。

對職業(yè)院校學生來說，一個具體的實物模型勝過教師或書本上成千上萬句的語言描述。如：機械工程專業(yè)學生可以利用增材制造技術制作出所設計作品的零件原型，或者是可直接使用的蝸桿、連桿、齒輪等零部件;建筑類專業(yè)學生可以打印出建筑設計作品的微縮三維模型;動漫設計專業(yè)學生可以打印出自己創(chuàng)作的人物、物品道具;食品專業(yè)學生則可以利用增材制造技術制作出菜品的展示模型;等等。所以，教師將增材制造技術運用到理論教學中，可以將抽象的理論知識變得可見、易理解，加深學生對專業(yè)知識的掌握，提高學習效率。

（二）豐富職業(yè)院校教學體系，加強各學科交流

增材制造技術涉及的領域包括汽車制造業(yè)、機械制造業(yè)、電子信息、航空制造、醫(yī)學、輕工業(yè)等，所涉及的學科知識包括機械工程、金屬材料、材料成型、電子工程等多種專業(yè)，共同構成交叉學科系統(tǒng)。例如，在金屬增材生產技術領域中，選擇性激光材料熔化工藝技術、電子束選擇性熔化工藝技術、焊接電弧等離子送絲工藝技術等，在金屬增材生產過程中所用的原料都必須與冶金工藝結合，以產生更精密可用的金屬零件。

金屬增材制造技術涉及物質科學基礎、金屬材料加工成型原理、傳熱學等材料工程專業(yè)中有關的理論和內容。在這些關聯(lián)學科的教學過程中，教師利用增材制造技術能夠增加教學的直觀性，充分調動學生的學習積極性。所以，利用增材生產理論與加工成型技能，能夠為工程專業(yè)的教學提供技術支持，豐富了增材制造成型專業(yè)的課程體系。一方面，職業(yè)院校學生能夠認識增材制造成型新技術，以及我國傳統(tǒng)機械加工、熱成型工藝技術之間的關聯(lián);另一方面，也增強了職業(yè)院校學生對智能加工新技術的認識，從而培養(yǎng)了職業(yè)院校學生對工業(yè)技術的興趣。

（三）創(chuàng)新教具，用于課堂情境教與學

在職業(yè)院校的課程體系中，理論知識與實踐的相關性強，要求學生有很強的空間想象力及構造能力，學習難度較大。近年來，職業(yè)院校應用多媒體教學，也取得了不錯的教學效果，但是，多媒體教學受限于虛擬技術，對學生的空間思維能力和構造能力有一定要求，大部分學生學習一些抽象知識還是很吃力。研究發(fā)現(xiàn)，在職業(yè)院校的實際教學中，學生對實物模型的教具更感興趣，教學效果也更好。然而傳統(tǒng)的實物教具模型過于老舊，更新成本高，周期長，且沒有與不斷更新的專業(yè)知識及創(chuàng)新型教學案例相結合，對實際的教學活動幫助較小。增材制造技術將有益教學的模型打印出來，最終呈現(xiàn)在課堂上，使教學內容實物化，是一種現(xiàn)代制造技術和教學相結合的創(chuàng)新。這一方面，解決了傳統(tǒng)教具加工成本較高、更新周期長的問題，提升了教學質量，實現(xiàn)現(xiàn)代先進制造技術與職業(yè)教育教學模式的結合;另一方面，利用增材制造技術可輕易實現(xiàn)教具定制化服務。教師可根據(jù)不同課程，不同學情，個性化定制實物教具，順應創(chuàng)新型教育發(fā)展的趨勢。

（四）提高職業(yè)院校學生的自主創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是一個民族、一個國家進步的靈魂，培養(yǎng)職業(yè)院校學生的想象力、創(chuàng)造力、獨立思考能力至關重要。創(chuàng)新精神的初期是興趣和求知欲，自主創(chuàng)新能力是將想象的創(chuàng)意付諸實踐，并有效實施的一種能力。許多職業(yè)院校創(chuàng)建了科技興趣小組或重視畢業(yè)創(chuàng)新作品設計環(huán)節(jié)，以鼓勵學生自主創(chuàng)新，但往往一些創(chuàng)意想法都囿于產品實現(xiàn)困難而被迫終止。增材制造技術的出現(xiàn)徹底改變了這一現(xiàn)狀，創(chuàng)意設計不再局限于傳統(tǒng)加工能力或零部件獲取困難的難題，利用這一技術可以快速制作出學生創(chuàng)新設計過程所需的零件，職業(yè)院校學生可以輕易將自己的創(chuàng)意變成成品。增材制造技術輔助創(chuàng)新教育的理念，可激發(fā)職業(yè)院校學生對某些科學過程或現(xiàn)象進行可視化的展現(xiàn)，為學生創(chuàng)新提供一種更加高效的形式，提升學生的創(chuàng)造性思維、動手能力，以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

總之，增材制造技術具有突破與創(chuàng)新的特點，具有頑強的生命力。增材制造技術應用于職業(yè)教育，特別是在較為枯燥的工程專業(yè)教學中，能幫助職業(yè)院校學生獲取直接的認知體驗，促進學生立體化地獲取和理解專業(yè)知識，拓展了學生的創(chuàng)造性思維，提高了學生的自主創(chuàng)新能力。在增材制造技術的基礎上提出的教學模式，是對職業(yè)教育課程改革下的教學模式的大膽嘗試。

（本文系海南省教育科學規(guī)劃課題“海南中職教育增材制造技術人才培養(yǎng)研究”的成果。課題編號：Q JY20191054）

（責編 桑 濤）