基于增材思维的现代设计与制造工程实训教学探索与实践

姜 旭,鲍 宇,朱昱晨,孙建华,刘可宁

(黑龙江工程学院 工程训练中心,哈尔滨 150050)

程序等[3]对材料专业实验课程教学问题进行了剖析,针对增材制造创造实验室课程进行了教学改革与设计;张晓玉等[4]针对增材制造理论课程存在的问题,提出了“互联网+”教学模式,并设计了增材制造教学仿真课程;魏彬等[5]提出了一种集合先进设计、智能制造、产品优化为一体的实践教学平台,该平台全方位提高学生设计、制造、开发等方面的能力;张晓华等[6]分析了增材制造技术在创新活动中的作用,探讨了其结合形式。

目前我国高校在增材制造工程实训相关领域课程教学时间相对较少,教学体系还不够完善,教学内容不够丰富,有待对增材制造工程实训类课程进行进一步研究与探索。文中针对黑龙江工程学院学生社团进行试点教学,设计了轻量化结构设计、有限元分析、增材制造加工三个工程实训教学模块,对基于增材思维的工程实训课程进行初步探索。

1 工程实训的意义

1)开拓思维,培养创新能力。基于增材思维工程实训课程的开设,有利于大学生学习先进的设计技术与增材制造相关知识,提高学生自主创新能力,为创新项目、大学生学科竞赛、专利申请等人才发展和培养提供土壤,促进工程训练中心大学生创新创意类活动项目的开展。

2)学生为主导,培养工程实践能力。与理论课程不同,实训课程更注重学生的现代工程实践素养,该课程以学生为课堂主体,教师进行引导式教学,增强学生在实践过程中的参与感,同时学生可以主导产品设计,通过团队协作并合理分工,提高学生工程实践能力。

3)完整的产品开发流程,培养工程思维。传统的工程实训模式是以金工实习改革而来,实训教学手段较为单一,往往与企业工程项目真实场景相距甚远[7]。本实训以较为简单的产品开发为主要教学形式,让学生了解从先进优化设计到增材制造生产加工的完整流程,对增材产品开发有一个感性认识,使教学更贴近企业真实项目开发场景,培养学生的工程思维。

4)多学科交叉,扩宽知识视野。现代设计和增材制造课程涉及到机械、材料、计算机、力学等多个学科,通过项目设计,将学到的多学科知识融汇到工程实践中,扩宽学生的知识视野,使学生掌握知识更加全面。

2 工程实训教学实践

我国高校工程训练中心发展相较于国外起步较晚,1998年,我国教育部牵头启动了世界银行贷款“高等教育发展”项目,建设了包括清华大学、哈尔滨工业大学、东南大学、大连理工大学等11所高校在内的我国首批工程训练中心[8]。目前我国大部分应用型本科高校工程训练中心都是从校内工厂改办过来的,教学模式以传统金工实训模式居多,即由实训指导教师向学生讲授传统的工业加工方法,包括车、钳、铣、刨、磨等工种。陈旧的课程内容和授课方式与现代工业生产技术脱节,内容较为枯燥,学生参与感不强,工程实践能力很难得到提升。

各地从实际出发，依托当地独具特色的历史民居建筑、多彩的民族风情等优良条件，建设以体验保护为主，休闲娱乐于为辅的“美丽家园”。这一做法在很大程度上传承了历史悠久的乡村文化，也为乡村旅游提供了优质的生态文化旅游资源[1]。

在实训过程中,为了贴近企业项目情景,文中引入了项目教学法,实训项目由学生独立完成,教师进行引导和会诊。现代设计与制造工程实训流程如图1所示。教师为学生提供几种零件运动包络、间隙要求、材料属性、边界条件等开源信息,由教师组织同学进行自由分组,以3～5人为一个项目小组,让学生在给定条件的基础上,自主选择设计内容。学生在小组内进行人员分工,并通过指导教师所讲授理论和实践知识,进行协作配合完成实训项目内容。指导教师建立合理的项目验收和学生成绩考核标准,包括成员参与度、组内氛围、产品性能、创新性、工艺性、项目周期、理论知识掌握度及项目报告等内容[9],在企业真实项目评价基础上,对适用于工程实训教学的考核评价体系进行建立及优化。

图1 现代设计与制造工程实训流程

2.1 轻量化结构设计教学模块

轻量化设计及制造在汽车、航空航天等领域拥有广阔的应用前景,而拓扑优化技术是提升轻量化设计水平的有效方法之一。教师主要通过多媒体教学的形式对三维软件操作进行讲授,软件主要以UG等三维软件为主,通过课上课下反复练习,熟练软件操作。学生通过选择指导教师给定运动包络、周边间隙、优化目标等条件,以小组为单位自主进行概念数模设计,并划分出数模的冻结区域和优化区域。

应用型本科工程实训课程对理论内容深度要求不宜过高,主要侧重于培养学生工程实践能力,而拓扑优化理论内容深度较深,在工程实训现有学时里很难让理论内容全部被学生掌握,因此本教学模块主要侧重于熟练使用拓扑优化工具,该模块拓扑优化采用Tosca软件进行教学指导,教师在讲授软件操作同时,让学生了解拓扑优化轻量化设计原理及思想,并对拓扑优化理论基础有一定程度的清晰认知。学生通过指导教师给出的边界条件、材料属性等信息,对CAD概念树模开始拓扑优化,根据拓扑优化结果指导数模的轻量化设计。在结构设计同时,要考虑到产品的使用条件和增材制造加工工艺特点,提高产品性能和可制造性,这也要求同学们充分了解现代设计与制造工程实训整个环节的内容。图2为学生设计的某汽车支架拓扑优化结构设计流程图,图2中(1)、(2)、(3)分别对应设计流程为CAD概念数模设计、拓扑优化、结构设计。图2中案例是以概念数模为拓扑优化模型,采用变密度法对连续体进行优化,冻结约束和载荷施加区域,设定应变能和体积为设计响应,初始体积50%为约束条件。通过Tosca后处理导出STL文件,同学们可以采用UG等CAD软件进行二次设计,也可以采用3-Matic软件对STL模型文件直接进行编辑。

图2 支架拓扑优化结构设计流程

2.2 有限元分析教学模块

有限元分析技术是通过有限个相互连接的单元描述复杂的物理系统,利用数学近似方法求解真实系统,该技术是工程及科研领域最为广泛的数值计算法之一[10-11]。通过有限元分析技术对零件结构合理性进行判断,确保零件强度刚度满足要求[12]。现今有限元技术在工程领域应用已较为广泛。

有限元分析技术理论基础与实践同样重要,但是,纯有限元理论知识晦涩难懂、涉及知识面广且内容枯燥,而对于企业级项目有限元分析工程师的理论水平入门要求往往不会特别高,因此对于应用型本科工程实训项目,将有限元理论教学内容进行精简,着重关注有限元软件操作的实训部分。本工程实训教学模块基于ABAQUS对零件结构进行分析,以静力学分析和刚度分析为主要分析类型,根据分析结果,对零件局部结构进行调整,直到满足目标性能要求。一般提升零件结构强度和刚度有以下几种措施:1)避免较细支臂受到弯曲应力;2)减少悬臂结构或缩短悬臂结构长度;3)增大零件过渡曲线,避免局部结构应力集中;4)采用等强度结构,充分发挥材料性能;5)降低载荷过度集中,使所受载荷均匀分布;6)减少受力点与支撑点的距离。

以轻量化结构设计教学模块的支架为例,图3为支架边界条件,安装孔约束1～6自由度,支架中心区域分别受到沿±Z轴方向压力。图4为局部结构优化前后有限元分析结果,根据图3可知,支架安装孔倒角最大Mises应力超过材料屈服强度(45.6 MPa),通过增大倒角半径,从而改善结构位置突变程度,可以有效降低应力集中问题,优化后最大Mises应力小于屈服强度。

图3 支架边界条件

图4 有限元分析结果及局部结构优化

2.3 增材制造加工教学模块

早期应用成熟的增材制造工艺方法包括光固化成形法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积制造法(FDM)等,近些年涌现出面向金属材料的增材制造工艺方法,例如:金属激光选区熔化法(SLM)、电子束熔化法(EBM)等[13-14]。FDM技术在增材制造领域具有重要的地位,具有成形范围广、环境污染小、设备及材料占地少、原料利用率高、后处理简单等优势,考虑到工程实训教学成本、教学环境等因素,选择FDM技术进行工程实训教学具备较大优势。FDM是通过切片软件将零件模型分割成二维切片,并挤出较细的热熔塑料丝,从零件底层开始加工,堆叠成三维实体[15],图5为FDM技术原理。

图5 FDM技术原理

影响FDM零件成形质量因素较多,包括零件摆放位置、切片层厚度、扫描速度、打印温度、支撑设计等,因此在加工前有必要对零件结构进行分析,确定合理的成形工艺。FDM支撑技术分为基底支撑和零件成型支撑两种,主要作用是零件成形过程中保证零件形状、减少翘曲、避免零件悬垂结构发生塌陷,但支撑也不能过度使用,在选择零件摆放时,应尽可能地减少支撑面积,从而减少去除支撑时的工作量,降低后处理对零件表面造成的破坏。

本教学模块采用极光尔沃A6桌面3D打印机进行零件打印,图6为FDM 3D打印设备。热塑性塑料丝选用聚乳酸(PLA),该材料通过再生植物木薯、玉米等提取制备,是一种可降解、无刺激性气味、无毒、无污染的绿色高分子材料,适用于工程实践教学中使用[16-17]。

图6 FDM 3D打印设备

本教学模块要求学生掌握增材制造设备的结构和工作基本原理,每个学生都能够熟练使用3D打印设备进行零件加工,在教学过程中以小组为单位,由指导教师引导,完成设备调平、耗材安装、模型打印、零件后处理等内容。在教学过程中FDM技术工艺详细过程如下。

1)STL格式数据准备。STL格式文件是用于描述三角网格模型,是3D打印设备标准接口文件。通过CAD软件将设计的优化模型直接导出STL格式,并要求该文件具备水密性。

2)模型切片处理。将STL文件直接导入切面软件JGcreat中,通过分析零件结构,调整合适的摆放位置,进行填充率、支撑形式等参数设置,将三维模型切片处理,转换成层片模型,导出用于打印的Gcode代码。

3)工作平台高度调平。将喷头移动到对应点,放置调平测试卡在喷嘴和平台之间,通过微调旋钮对工作平台高度进行调整。

4)模型打印。打印前要对设备进行预热,通常平台温度约为50 ℃,选择PLA塑料丝时,喷嘴预热温度约为200 ℃。通过喷嘴挤出熔化塑料丝,按照喷涂轨迹,逐层加工,完成零件打印。

5)模型后处理。完成打印后,使用铲刀将零件取出,并去除支撑(注意不要破坏零件本体),对于不平整的部位可以用砂纸进行打磨处理。图7为学生打印作品。

图7 学生打印作品

零件打印完成后,以项目小组为单位,选派项目代表,以PPT的形式对设计作品进行汇报,由多位实训指导教师对零件进行会诊,从零件结构合理性、创新性、加工工艺、成形质量对项目小组进行评级(分为优、良、中、合格、不合格五个等级)。结合项目小组等级,并通过实训过程中每位学生对项目的参与度、沟通协作能力、动手能力、理论基础、创新能力等方面,确定该生最终综合分数。

3 工程实训效果

第一,教学效果。以黑龙江工程学院学生社团课程为教学样本,分成多个项目小组,采用多媒体授课与现场指导相结合,进行小规模试点教学。通过对授课教师和实训学生进行问卷调查可知,教师与学生课堂互动良好,学生能够积极主动地参与到实践活动当中,并对现代设计与增材制造加工有了清晰认知。该课程融合了多学科基础知识,拓宽学生知识面,通过理论与实践结合,提高学生动手操作能力,发散学生思维,培养了学生工程实践和创新能力,该课程设计也为我校进一步开展增材制造相关课程建设提供参考。

第二,教师成长。指导教师通过从课程计划、内容、评价标准等方面展开一系列探索与实践,发现自身对增材制造技术与先进设计专业知识储备不足的问题,并对相关内容及时进行系统性学习。全新的教学形式对指导教师提出了更高的要求,通过反复磨课,实训指导教师在教学技巧和课程把控能力等方面都有所提升。

第三,人才培养成果。该课程的开设为大学生竞赛人才孵化提供了良好的培育环境,参与教学试点的社团分别在“第七届工程训练综合能力竞赛黑龙江省选拔赛”取得了势能驱动车赛项一等奖2项,工程文化赛项一等奖1项、二等奖1项的优异成绩,为大学生社团发展助力。

4 结束语

21世纪以来,随着全球产业结构调整,制造业面临着巨大的机遇与挑战,为了适应社会经济发展和产业升级需求,先进制造技术受到全球各国重视,而增材制造技术作为其关键性技术之一,得到了迅猛发展。为了适应市场对人才需求的变化,黑龙江工程学院工程训练中心针对增材制造的现代设计与制造的人才培养进行试点教学,并取得较好的教学效果。该课程融合了计算机辅助设计、拓扑优化、有限元分析、增材制造技术等多种先进技术及理念,培养学生创新意识、动手能力及工程思维,拓宽学生视野,为黑龙江工程学院工程训练中心继续深化及推广增材制造工程实训课程提供了宝贵经验。