【摘要】为培养专业认证需求的机械类专业工程人才，搭建基于CDIO工程教育理念的光制造平台，结合科研成果案例设计课程的实验教学项目，使学生参与、构思、设计、实现个人体验，提高创新创业能力。该实验项目具体描述如何搭建基于CDIO工程教育理念的光制造实验平台，并将其教学理念设计应用于实验项目中，根据科研案例素材选择激光熔覆增材制造的典型实验性能进行实验研究与创新活动。经过教学实践发现，该项目使机械类本科生及研究生初步熟悉科研项目实施的基本流程，锻炼专业知识和工程能力，以及自主对任务分解和解决问题的能力。
【关键词】CDIO；激光制造；实验改革；案例教学
自21世纪以来，“光制造”融合了光学、材料、机械等多学科技术，其作为先进制造技术之一正不断突破传统制造业的瓶颈，在汽车制造、电子半导体、材料加工、航空航天、轨道交通等机械制造行业获得广泛应用[1]。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Im⁃plement）和运作（Operate）英文单词的缩写，基于CDIO的工程教育理念的教学模式目标以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动实践的方式实现课程学习的方式[2]。2018中国机械行业卓越工程师教育联盟理事大会上清华大学雒建斌院士讲解了未来30年工程发展与教育之思考，提出了未来引领人才工程教育的“双T”理念（创新的思想CreativeThoughts、领先的技术LeadingTechnology）。“光制造”正是“双T”基于CDIO的工程教育理念的新工科实验项目，不仅对传统的机械类专业课程实验提出了更高的要求，需要从教学设计方法进行改革，还需要对更新相关实验设备、改革实验内容，使学生接触现代先进制造技术，实现新工科工程实践教育。因此现在很多高校都将具有一定的先进性和典型性的新技术、新设备、新工艺充实到工程教育课程中。一些高职院校较敏锐，已经开设了新技术新技能相应的实践课程，但多数仍停留在实际操作阶段，缺乏基础理论支撑。我校对激光增材制造技术的实践课程体系进行了探索与建设，初步取得了成效。
1光制造平台搭建
激光智能制造技术实验室于2014年开始筹建，实验室经过近几年的建设已经具备了较好的硬件基础：实验室现占地面积300m2，拥有同轴送粉德国Laserline高功率光纤耦合半导体激光制造装备、侧向送西安矩光高功率半导体直接输出激光制造装备、激光打标机、激光清洗机、维氏硬度自动测量系统、数显显微维氏硬度计、蔡司金相显微镜、体式显微镜、摩擦系数测量仪、自动金相试样磨抛、金相抛光机、金相预磨机、超声探伤仪、真空金属热处理炉（1000度）等激光加工和检测设备。激光熔覆试验系统为同轴送粉德国Laserline高功率光纤耦合半导体激光制造装备，主要由数控加工室LDM8060、大功率半导体光纤耦合激光器LDF6000-60、负压载气式刮盘送粉器、水冷机和氮气保护系统组成。激光加工头采用四路同轴送粉。系统设备的组成如图1所示。数控加工室采用高精度CNC系统，确保工件的尺寸公差与形位公差，激光器由水冷机和惰性气体保证其正常运行，控制激光熔覆实验中的激光功率形成稳定热源。送粉器利用刮盘旋转速度和气流量控制试验过程中的实际送粉速度，精确控制送粉量和载气流量来实现激光加工的同步送粉。氮气发生器提供惰性气体N2，一是确保激光的正常工作，二是运载和防止合金粉末氧化，三是在工件上方制造惰性气体区域，防止粉末被氧化。
2实践教学实施
本项目所建设课程，作为工程基础知识教育的补充，采用课堂教学与实验教学相结合的方式，以CDIO工程教育理念为纲要，采用主动性、实验性、分组学习为特征组织光制造实验教学方案与教学活动，使学生以小组为单位，自主设计、自由探索、分工负责来完成实验教学目标。使学生通过参与、构思、设计、实现个人技术体验，在锻炼个人实际动手能力的同时，提升学生的团队协作能力与人际交往技能。在做好实验教学的基础上，本项目以培养学生的创新能力为目标，以创新实验为手段，以全过程开放为原则，建立创新实验基地，鼓励学生“自选项目、自主设计、自己动手、自由探索”，进行创新实验，由宏观形貌测试、金相试样制备及微观组织观察实验三个方面构成。
2.1表面形貌评价实验
按预定参数制备激光熔覆试样后，需对其宏观形貌的完整性进行评估，例如是否存在熔覆层脱落情况，熔覆层烧蚀情况，熔覆层表面存在球化、孔洞情况以及未熔粉末的程度来作为对工艺参数好坏评估的一项重要指标，并对其加标尺留图以供后续分析使用。为检测熔覆层表面是否存在宏观裂纹、气孔和未熔残渣等现象，需对其进行缺陷探伤实验，实验采用DPT-5着色渗透探伤剂，实验步骤为：首先利用清洗剂将试样表面清洗干净，随后将渗透剂均匀的喷涂在试样表面，等待10min左右时间后，继续采用清洗剂将红色试剂清洗干净，最后使用着色剂进行喷洒，等待10min后，若存在裂纹、气孔等缺陷存在，则会在该处表明红颜色。
2.2金相制备方法
为对熔覆层进行截面形貌特征和硬度特征的检测，对熔覆层试样进行金相制备。首先对其进行线切割分割试样。金相制备仪器如图2所示。通过角磨机将试样初步抛磨至平面，随后放入金相镶嵌机，温度为150℃，时间为15min，直径为∅30mm。用金相预磨机和抛光机在280、400、800、1200目砂纸上手工抛磨，抛光至镜面，利用酒精棉球将试样清洗吹干待用。随后调配金相腐蚀液，腐蚀30s后用酒精棉球擦拭残余腐蚀液，吹风机吹干后以便后用。
2.3截面特征测量
金相显微镜仪器如图3所示。首先使用体式显微镜对熔覆层截面进行低倍镜拍摄，利用图像处理软件测量截面几何特征。熔覆层几何特征有：熔宽（W）、熔高（H）、熔深（D）、熔覆层面积、稀释区面积。再用莱卡光学显微镜（OM）对熔覆层形态特征进行拍摄，在各倍镜下对熔覆层与基材结合面处、熔覆层底部、熔覆层中部、熔覆层顶部进行金相组织观察。
3案例教学实施
笔者利用团队科研工作中的实际科研任务为素材，课程教学实践组织研究生以实验小组为单位参加激光增材制造技术中有关显微硬度、摩擦磨损、盐雾腐蚀等性能测试的实验研究与创新活动，现将性能案例解析如下：
3.1显微硬度测试案例
选用激光增材制造相关薄壁与堆积异形件为典型案例，为检测激光堆积层质量，需对其进行截面显微硬度测量，显微硬度是测量测头压入熔覆层的能力，在加载载荷后，利用硬度计目镜对凹坑对角线进行测量，根据公式计算维氏硬度。采用的硬度测量工具是HVS-5Z自动转塔数显维氏硬度计，显微硬度仪如图4所示。测量记录硬度点以熔凝线为零点，朝向熔覆层方向为正方向，朝向基材方向为负方向，测量间距为200μm/400μm。实验条件为室温下，载荷为2.94N，受压时间10s。
3.2摩擦磨损测试案例
选用煤矿机械中液压立柱的激光增材制造为案例，摩擦磨损实验采用的仪器为WTM-2E微型摩擦磨损试验仪，熔覆层摩擦磨损测试如图5所示。实验前后，对试件进行干燥处理，用精度为0.1mg的分析天平测样品的重量，多次重复测量每件样品，失重参数取其平均值。
3.3盐雾腐蚀测试案例
选用泵阀密封面的激光增材制造为案例，为使泵阀密封面适用于多种介质，提高其性能和使用寿命，在对其进行钴基合金激光熔覆试验后，需进行盐雾腐蚀实验来验证其耐腐蚀性，盐雾腐蚀箱和实际试样腐蚀如图6所示。参考ASTM-B117标准，试验室温度35℃，饱和桶温度47℃，腐蚀液为NaCl，进行48小时盐雾腐蚀实验。
4结语
推广CDIO教学模式是对OBE教学理念的补充，通过相应的实验平台搭建与案例教学，不仅可以对本科生践行新工科研究与实践，而且也对研究生的工程实验有补充效果，进一步激发学生的创新意识与能力，培养符合中国当前国情的工程实践课程体系。
作者：郭士锐 郑博 崔陆军 单位：中原工学院机电学院