无损检测主要利用声、光、热、电、磁、射线等物理现象，在不破坏被测试样的情况下表征缺陷或损伤，已被广泛应用于核电、高铁、航空航天和石油化工等领域。目前使用较为广泛的无损检测包括超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测和射线检测等。超声检测相较于磁粉检测、渗透检测和涡流检测，能够穿透被测试样，检出内部损伤。与射线检测相比，超声检测无辐射且对人体没有伤害，具有安全高效的优点。

1、无损检测的教学现状和“逆向”教学的提出

1.1 破坏性的缺陷或损伤表征方法可重复性差

传统的课程通过有损的方式剖开存在缺陷或损伤的试样，借助光镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等设备获取缺陷或损伤的位置、类型、程度等信息。但是，该方法将破坏被测试样，可重复性差，不适用于现代教育教学。

1.2 无损检测课程的“正向”教学

“正向”教学依次进行无损检测原理及其应用的教育教学，根据各类无损检测方法的特点，寻找与之匹配的典型损伤或缺陷。但是，工程实际中的问题一般与之相反[1]。工程师首先根据工况分析可能出现的缺陷或损伤，然后选择合适的方法。

1.3 三维建模方法和3D打印技术的引入

目前能够进行三维建模的软件主要包括SOLIDWORKS、UG、Pro/E等。本研究以SOLIDWORKS软件为例，针对存在典型缺陷或损伤的试样，进行位置、类型和尺寸等参数的设计和三维数值模型的构建，同时开展软件基本操作的教育教学。

3D打印技术涉及信息、控制和材料等多个领域，使用分层的方法，对三维数值模型进行离散化处理，通过“分层制造、逐层叠加”的方式，制造出实物。其中3D打印技术的专业材料主要包括有机高分子材料和无机材料，如图1所示，有机高分子材料又包括工程塑料（如ABS、PA、PC、PLA、PCL等）、光敏树脂和医用高分子材料等。本研究所使用的专业材料为光敏树脂材料。根据光固化的机理不同，光敏树脂的打印工艺主要包括Stereo Lithography Apparatus(SLA）工艺、Digital Light Procession(DLP）工艺和PolyJet工艺等，如图1所示，其中DLP工艺先把三维数值模型分层，将每层的影像投影，再对液态光敏树脂进行逐层固化。本研究所使用的打印工艺与DLP工艺类似。

1.4 无损检测课程“逆向”教学的可行性分析

本研究从实际需求出发，借助数字化模型和增材制造开展无损检测课程的“逆向”教学。该教学方法根据缺陷或损伤的特征，设计存在缺陷或损伤的试样，选择合适的方法，开展被测试样的无损检测，提取测量信号，将测量信号与缺陷或损伤信息进行关联。上述方法有助于学生理解无损检测原理及其应用，推进无损检测课程的教学改革，促进传统课程与前沿技术的融合互动，满足企业的用人需求[2]。

2、借助数字化模型和增材制造的“逆向”教学

2.1 概述和特色介绍

本研究借助三维建模方法，将典型缺陷或损伤的位置、类型和程度等信息，精准地传递到3D打印的试样中，选择合适的检测方法，开展典型缺陷或损伤的无损检测。该方法具有一定的可重复性，直观地反映出不同检测方法的缺陷或损伤检出机理。

图1 光敏树脂及相关打印工艺   

2.1.1 运用逆向思维，调整损伤评估流程

运用逆向思维，调整损伤评估流程，利用“设计的”缺陷或损伤及其适用的检测方法，揭示无损检测与损伤或缺陷的作用机理。

传统的课程通过有损的方式获取损伤或缺陷的位置、类型、程度等信息，会破坏被测试样，可重复性差。本研究针对上述问题，融合三维CAD（计算机辅助设计）软件教学、增材制造和无损检测，针对具有典型缺陷或损伤的试样，利用SOLIDWORKS软件进行三维建模，借助3D打印技术，实现数字化模型到实物的转换，构建典型损伤或缺陷的数据库，筛选出合适的检测方法，然后进行无损评估，通过示波器等仪器，直观地展示出缺陷或损伤对检测信号的影响。

2.1.2 打破课程界限，实现课程有机结合

打破传统的课程界限，引入前沿科学技术，实现多门课程的有机结合。

三维CAD（计算机辅助设计）软件应用、增材制造和无损检测分别属于三门课程的知识点，三者关联性较弱。本研究面向科技前沿，活学活用SOLIDWORKS软件和3D打印技术[3]，为无损检测方法提供测量素材，揭示缺陷或损伤的检出机理，实现三门课程的有机融合，形成新型的课程架构。

2.2 具体内容和实施案例

具体内容分为4个部分，本研究将依次展开论述。以气泡和夹杂的超声检测为例，对其“逆向”教学进行介绍。

2.2.1 具体内容

1）针对机械零件的典型损伤或缺陷，收集相关资料，对其进行归类。本研究通过文献检索、现场调研等方式，对机械零件中常见的缺陷或损伤进行归类整理，列出典型缺陷或损伤的类型[4]。

2）借助SOLIDWORKS软件进行三维建模，掌握SOLIDWORKS软件的基本操作步骤。本研究开展典型缺陷或损伤的特征分析，据此进行存在缺陷或损伤试样的设计，完成缺陷或损伤位置、类型和程度等参数的设置，利用SOLIDWORKS软件进行三维建模，兼顾SOLIDWORKS软件的学习和应用[5]。

3）根据缺陷或损伤的特征，采用合适的专业材料和打印工艺，利用STL文件，3D打印出存在缺陷或损伤的试样。本研究考虑到缺陷和损伤的结构复杂性，比如存在孔洞或夹杂的试样含有中空结构，传统的“减材制造”已无法完全满足需求。本项目拟借助TPS高速光固化3D打印机等设备，运用DLP打印工艺，采用光敏树脂等专业材料[6]，进行3D打印。

4）针对典型的缺陷和损伤，选择合适的检测方法，对3D打印出的试样进行无损评估，开展缺陷或损伤检出原理的教育教学。本研究首先分析典型缺陷和损伤的特征，根据无损检测方法的特点，选择合适的无损检测方法，对3D打印出的试样进行无损评估，借助FFT、STFT、小波变换等数据处理方法，提取测量信号的特征，讲解不同无损检测方法的缺陷或损伤检出原理[7]。

2.2.2 实施案例

1）当加工工艺为铸造、锻造、焊接或者金属型材为棒材时，机械零件常出现气泡或夹杂等缺陷。因为气泡和夹杂都位于机械零件内部，本研究将气泡和夹杂归为同一类缺陷。

2）本研究拟根据气泡和夹杂的特征进行三维建模。①首先打开SOLIDWORKS软件，依次选择文件、新建、零件和确定，在FeatureManager设计树中右击上视基准面，依次选择正视于和草图绘制，在草图中选择中心矩形，以原点为中心绘制矩形，在草图中选择智能尺寸，将矩形的长宽改为40 mm，退出草图1的绘制；②在特征中选择拉伸凸台/基体，在PropertyManager中将方向选为两侧对称，将深度改为20 mm，点击确定；③右击上视基准面，依次选择正视于（沿y轴的反方向）和草图绘制，在草图中选择圆，进行绘制，利用智能尺寸，将圆的直径、圆心距上边界的距离和圆心距左边界的距离均改为10 mm，在草图中选择直线，连接圆的上顶点和下顶点，在草图中选择裁剪实体，删除左侧的半圆，退出草图2的绘制；④在FeatureManager设计树中左击草图2，在特征中选择旋转切除，以草图2中的直线为旋转轴，点击确定；⑤运用类似的方法，在长方体的内部切除2个球体，其中第1个球体的直径、球心距上边界和球心距右边界的距离分别定为5 mm、10 mm和10 mm（沿y轴的反方向正视于上视基准面），第2个球体的直径、球心距下边界和球心距左边界的距离分别定为5 mm、10 mm和10 mm（沿y轴的反方向正视于上视基准面）；⑥沿y轴的反方向正视于上视基准面，右击底部的面，依次选择正视于和草图绘制，在草图中选择圆，进行绘制，借助智能尺寸，将圆的直径、圆心距左边界和圆心距上边界的距离分别改为1.5 mm、10mm和10 mm，退出草图5的绘制；⑦在特征中依次选择参考几何体和基准面，以底部的面为基准（沿y轴的反方向正视于上视基准面），将距离改为10 mm，同时选择反向等距，点击确定；⑧在FeatureManager设计树中右击基准面1，依次选择正视于和草图绘制，在草图中选择圆，进行绘制，借助智能尺寸，将圆的直径、圆心距左边界和圆心距上边界的距离分别改为1 mm、10 mm和10 mm，退出草图6的绘制；⑨在FeatureManager设计树中右击上视基准面，依次选择正视于和草图绘制，在草图中选择直线，进行绘制，令直线始于基准面1、止于底部（沿y轴的反方向正视于上视基准面）的面，借助智能尺寸，将直线的起点距草图5中圆心的距离改为0.75 mm，将直线的终点距草图6中圆心的距离改为0.5 mm，退出草图7的绘制；⑩在特征中选择放样切割，在轮廓中添加草图5和草图6，在引导线中添加草图7，点击确认；此结构在3D打印中，被用于排出球体中留存的光敏树脂；⑪在特征中选择圆角，在圆角项目中选择所有边线，在圆角参数中将半径改为0.2 mm，点击确认；⑫依次选择文件和另存为，将保存类型改为STL(*.stl)，将文件名改为“存在气泡和夹杂的试样”，点击保存。本研究借助SOLIDWORKS软件，开展存在气泡和夹杂试样的设计，进行三维建模，完成草图绘制、拉伸凸台/基体、旋转切除、放样切割、圆角等基本操作的教学。

3）因为孔洞为中空结构，部分打印工艺无法满足需求，如LOM(Laminated Object Manufacturing）打印工艺不适用于制作中空结构，FDM(Fused Deposition Modeling）打印工艺需要设计、制作并去除支撑结构[8]。本项目采用白色和透明的光敏树脂材料，如图2所示[9,10]，运用SLA或DLP打印工艺，基于存在气泡和夹杂的试样.stl文件，制作存在孔洞和夹杂的试样。其中，采用透明的光敏树脂有助于学生观测模拟孔洞和模拟夹杂的位置、形状和尺寸。

图2 使用光敏树脂制作的被测试样  

4）因为超声波可以穿透介质检测内部缺陷或损伤[11]，所以超声检测相较于磁粉、渗透、涡流、红外等无损检测方法，能够检出机械零件内部的夹杂和孔洞。本项目首先利用脉冲反射法、透射法等，对3D打印试样中的模拟夹杂和模拟孔洞进行评估。脉冲反射法和透射法的示意图如图3所示，本研究以脉冲反射法为例，在位置a、b、c、d，借助超声换能器测量声学信号，如图3(a）、图3(b）、图3(c）和图3(d）所示。当试样不存在缺陷或损伤时，图3(a）中仅有底边反射信号B；如图3(b）、图3(c）和图3(d）所示，夹杂或孔洞的出现导致反射信号R的形成，同时引起底边反射信号B的幅值降低；如图3(b）和图3(c）所示，当夹杂和孔洞的尺寸相同时，存在孔洞的试样中反射信号R的幅值更大。根据上述研究，本项目将开展脉冲反射法和透射法缺陷或损伤检出机理的教育教学。

图3 脉冲反射法和透射法的示意图   

3、实施路径和教学目标

本研究的实施路径及教学目标分为4个部分。以孔洞和夹杂的超声检测为例，对其应用进行说明，如图4所示。

图4 实施路径及教学目标  

4、“逆向”教学的初步成效

4.1 改革教学方法，开展“逆向”教学

对传统的教学方法进行改革，引入三维建模方法和3D打印技术，实现无损检测课程的“逆向”教学。

提取机械零件中典型缺陷或损伤的特征，借助SOLIDWORKS软件进行三维模型构建，选择合适的打印工艺和专业材料，3D打印出存在缺陷或损伤的试样，使用合适的无损检测方法，对存在缺陷或损伤试样进行检测与评估，开展缺陷或损伤检出机理的“逆向”教学。

4.2 拓宽教学领域，打造新型课程

将数字化模型、增材制造和无损检测有机结合，以无损检测课程的教学为主，兼顾SOLIDWORKS软件操作和3D打印技术原理介绍，拓宽教学领域，提高学生的参与度，打造新型课程。

找准计算机辅助设计、3D打印技术和无损检测课程的结合点，让学生自己设计和检测缺陷或损伤以及沉浸式体验无损检测的全过程，打造“以无损检测课程为主，计算机辅助设计和3D打印技术课程为辅”的新型课程。

4.3 关注最新发展，培养高质量后备人才

关注先进制造业最新发展趋势，开展3D打印技术的教育教学，培养适应制造业高质量发展的后备人才。

引入3D打印技术的教育教学，同时开展计算机辅助设计和无损检测课程的教学，兼顾3D打印技术的前期建模和后期应用，形成3D打印技术教学的闭环，将3D打印技术作为先进制造业教育教学的突破口，让学生紧跟先进制造业的发展趋势，培养创新型人才。

参考文献:

[1]轩福贞.推动工程教育观念革新为中国式现代化建设提供全方位人才支撑[J].中国高等教育,2023(1):24-29.

[2]项延训.加强学科建设促进创新人才培养[J].学位与研究生教育,2008(S1):123-126.

[3]沈伟,麦云飞,钱炜,等.基于工程教育认证的液压传动课程教学改革研究[J].液压与气动,2017(8):73-78.

[4]田贵云,高斌,高运来,等.铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述[J].仪器仪表学报,2016,37(8):1763-1780.

[5]江洪,吉维峰.运用三维绘图软件SolidWorks改革工程图学教学的实践[J].工程图学学报,2004(1):109-113.

[6]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育,2013(8):83-87.

[7]魏勤,万佳,汪海宾,等.新工科人才培养模式下超声检测实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2022,41(4):218-222.

[8]王延庆,沈竞兴,吴海全.3D打印材料应用和研究现状[J].航空材料学报,2016,36(4):89-98.

[9]何岷洪,宋坤,莫宏斌,等.3D打印光敏树脂的研究进展[J].功能高分子学报,2015,28(1):102-108.

[10]陈硕平,易和平,罗志虹,等.高分子3D打印材料和打印工艺[J].材料导报,2016,30(7):54-59.

[11]张庆荣,克里夫·利森登,伊戈尔·索洛多夫,等.材料非线性超声特性检测[M].项延训,轩福贞,译.北京:科学出版社,2022.

基金资助:上海高校青年教师培养资助计划(ZZ202203047); 教育部产学合作协同育人项目(220904469159013);

文章来源:孙茂循,章悦,杜林等.数字化模型和增材制造在无损检测“逆向”教学中的应用[J].南方农机,2023,54(23):174-177.