前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的CDIO工程教育下光制造平臺和案例教學，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
【摘要】為培養專業認證需求的機械類專業工程人才，搭建基于cdio工程教育理念的光制造平臺，結合科研成果案例設計課程的實驗教學項目，使學生參與、構思、設計、實現個人體驗，提高創新創業能力。該實驗項目具體描述如何搭建基于CDIO工程教育理念的光制造實驗平臺，并將其教學理念設計應用于實驗項目中，根據科研案例素材選擇激光熔覆增材制造的典型實驗性能進行實驗研究與創新活動。經過教學實踐發現，該項目使機械類本科生及研究生初步熟悉科研項目實施的基本流程，鍛煉專業知識和工程能力，以及自主對任務分解和解決問題的能力。
【關鍵詞】CDIO；激光制造；實驗改革；案例教學
自21世紀以來，“光制造”融合了光學、材料、機械等多學科技術，其作為先進制造技術之一正不斷突破傳統制造業的瓶頸，在汽車制造、電子半導體、材料加工、航空航天、軌道交通等機械制造行業獲得廣泛應用[1]。CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Im⁃plement）和運作（Operate）英文單詞的縮寫，基于CDIO的工程教育理念的教學模式目標以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動實踐的方式實現課程學習的方式[2]。2018中國機械行業卓越工程師教育聯盟理事大會上清華大學雒建斌院士講解了未來30年工程發展與教育之思考，提出了未來引領人才工程教育的“雙T”理念（創新的思想CreativeThoughts、領先的技術LeadingTechnology）。“光制造”正是“雙T”基于CDIO的工程教育理念的新工科實驗項目，不僅對傳統的機械類專業課程實驗提出了更高的要求，需要從教學設計方法進行改革，還需要對更新相關實驗設備、改革實驗內容，使學生接觸現代先進制造技術，實現新工科工程實踐教育。因此現在很多高校都將具有一定的先進性和典型性的新技術、新設備、新工藝充實到工程教育課程中。一些高職院校較敏銳，已經開設了新技術新技能相應的實踐課程，但多數仍停留在實際操作階段，缺乏基礎理論支撐。我校對激光增材制造技術的實踐課程體系進行了探索與建設，初步取得了成效。
1光制造平臺搭建
激光智能制造技術實驗室于2014年開始籌建，實驗室經過近幾年的建設已經具備了較好的硬件基礎：實驗室現占地面積300m2，擁有同軸送粉德國Laserline高功率光纖耦合半導體激光制造裝備、側向送西安矩光高功率半導體直接輸出激光制造裝備、激光打標機、激光清洗機、維氏硬度自動測量系統、數顯顯微維氏硬度計、蔡司金相顯微鏡、體式顯微鏡、摩擦系數測量儀、自動金相試樣磨拋、金相拋光機、金相預磨機、超聲探傷儀、真空金屬熱處理爐（1000度）等激光加工和檢測設備。激光熔覆試驗系統為同軸送粉德國Laserline高功率光纖耦合半導體激光制造裝備，主要由數控加工室LDM8060、大功率半導體光纖耦合激光器LDF6000-60、負壓載氣式刮盤送粉器、水冷機和氮氣保護系統組成。激光加工頭采用四路同軸送粉。系統設備的組成如圖1所示。數控加工室采用高精度CNC系統，確保工件的尺寸公差與形位公差，激光器由水冷機和惰性氣體保證其正常運行，控制激光熔覆實驗中的激光功率形成穩定熱源。送粉器利用刮盤旋轉速度和氣流量控制試驗過程中的實際送粉速度，精確控制送粉量和載氣流量來實現激光加工的同步送粉。氮氣發生器提供惰性氣體N2，一是確保激光的正常工作，二是運載和防止合金粉末氧化，三是在工件上方制造惰性氣體區域，防止粉末被氧化。
2實踐教學實施
本項目所建設課程，作為工程基礎知識教育的補充，采用課堂教學與實驗教學相結合的方式，以CDIO工程教育理念為綱要，采用主動性、實驗性、分組學習為特征組織光制造實驗教學方案與教學活動，使學生以小組為單位，自主設計、自由探索、分工負責來完成實驗教學目標。使學生通過參與、構思、設計、實現個人技術體驗，在鍛煉個人實際動手能力的同時，提升學生的團隊協作能力與人際交往技能。在做好實驗教學的基礎上，本項目以培養學生的創新能力為目標，以創新實驗為手段，以全過程開放為原則，建立創新實驗基地，鼓勵學生“自選項目、自主設計、自己動手、自由探索”，進行創新實驗，由宏觀形貌測試、金相試樣制備及微觀組織觀察實驗三個方面構成。
2.1表面形貌評價實驗
按預定參數制備激光熔覆試樣后，需對其宏觀形貌的完整性進行評估，例如是否存在熔覆層脫落情況，熔覆層燒蝕情況，熔覆層表面存在球化、孔洞情況以及未熔粉末的程度來作為對工藝參數好壞評估的一項重要指標，并對其加標尺留圖以供后續分析使用。為檢測熔覆層表面是否存在宏觀裂紋、氣孔和未熔殘渣等現象，需對其進行缺陷探傷實驗，實驗采用DPT-5著色滲透探傷劑，實驗步驟為：首先利用清洗劑將試樣表面清洗干凈，隨后將滲透劑均勻的噴涂在試樣表面，等待10min左右時間后，繼續采用清洗劑將紅色試劑清洗干凈，最后使用著色劑進行噴灑，等待10min后，若存在裂紋、氣孔等缺陷存在，則會在該處表明紅顏色。
2.2金相制備方法
為對熔覆層進行截面形貌特征和硬度特征的檢測，對熔覆層試樣進行金相制備。首先對其進行線切割分割試樣。金相制備儀器如圖2所示。通過角磨機將試樣初步拋磨至平面，隨后放入金相鑲嵌機，溫度為150℃，時間為15min，直徑為∅30mm。用金相預磨機和拋光機在280、400、800、1200目砂紙上手工拋磨，拋光至鏡面，利用酒精棉球將試樣清洗吹干待用。隨后調配金相腐蝕液，腐蝕30s后用酒精棉球擦拭殘余腐蝕液，吹風機吹干后以便后用。
2.3截面特征測量
金相顯微鏡儀器如圖3所示。首先使用體式顯微鏡對熔覆層截面進行低倍鏡拍攝，利用圖像處理軟件測量截面幾何特征。熔覆層幾何特征有：熔寬（W）、熔高（H）、熔深（D）、熔覆層面積、稀釋區面積。再用萊卡光學顯微鏡（OM）對熔覆層形態特征進行拍攝，在各倍鏡下對熔覆層與基材結合面處、熔覆層底部、熔覆層中部、熔覆層頂部進行金相組織觀察。
3案例教學實施
筆者利用團隊科研工作中的實際科研任務為素材，課程教學實踐組織研究生以實驗小組為單位參加激光增材制造技術中有關顯微硬度、摩擦磨損、鹽霧腐蝕等性能測試的實驗研究與創新活動，現將性能案例解析如下：
3.1顯微硬度測試案例
選用激光增材制造相關薄壁與堆積異形件為典型案例，為檢測激光堆積層質量，需對其進行截面顯微硬度測量，顯微硬度是測量測頭壓入熔覆層的能力，在加載載荷后，利用硬度計目鏡對凹坑對角線進行測量，根據公式計算維氏硬度。采用的硬度測量工具是HVS-5Z自動轉塔數顯維氏硬度計，顯微硬度儀如圖4所示。測量記錄硬度點以熔凝線為零點，朝向熔覆層方向為正方向，朝向基材方向為負方向，測量間距為200μm/400μm。實驗條件為室溫下，載荷為2.94N，受壓時間10s。
3.2摩擦磨損測試案例
選用煤礦機械中液壓立柱的激光增材制造為案例，摩擦磨損實驗采用的儀器為WTM-2E微型摩擦磨損試驗儀，熔覆層摩擦磨損測試如圖5所示。實驗前后，對試件進行干燥處理，用精度為0.1mg的分析天平測樣品的重量，多次重復測量每件樣品，失重參數取其平均值。
3.3鹽霧腐蝕測試案例
選用泵閥密封面的激光增材制造為案例，為使泵閥密封面適用于多種介質，提高其性能和使用壽命，在對其進行鈷基合金激光熔覆試驗后，需進行鹽霧腐蝕實驗來驗證其耐腐蝕性，鹽霧腐蝕箱和實際試樣腐蝕如圖6所示。參考ASTM-B117標準，試驗室溫度35℃，飽和桶溫度47℃，腐蝕液為NaCl，進行48小時鹽霧腐蝕實驗。
4結語
推廣CDIO教學模式是對OBE教學理念的補充，通過相應的實驗平臺搭建與案例教學，不僅可以對本科生踐行新工科研究與實踐，而且也對研究生的工程實驗有補充效果，進一步激發學生的創新意識與能力，培養符合中國當前國情的工程實踐課程體系。
作者：郭士銳 鄭博 崔陸軍 單位：中原工學院機電學院