3D打印在高分子成型設(shè)備課程中的應(yīng)用

于二雷 胡蕊

摘 要：高分子成型設(shè)備課程中設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件種類多，課堂教學(xué)效果較差且學(xué)生積極性不高。本文利用3D打印結(jié)合工程制圖和高分子綜合實驗營造了設(shè)備及零件的模型制造平臺，從而提高學(xué)生對課程內(nèi)容的理解以及實際的動手能力。

關(guān)鍵詞：高分子成型設(shè)備;3D打印;教學(xué)改革

1 課程簡介

高分子成型設(shè)備課程是高分子材料的專業(yè)課，對本科生認(rèn)識和了解加工工藝有重要意義。增強(qiáng)學(xué)生對塑料成型設(shè)備的認(rèn)識，使學(xué)生具有較好的分析、解決工程實際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。[1]高分子成型設(shè)備是鞏固補(bǔ)充高分子化學(xué)、高分子物理、高分子成型加工、工程制圖等課程知識的輔助環(huán)節(jié)，本課程著重塑料加工中的主要設(shè)備包括液壓成型機(jī)、混合攪拌機(jī)、開煉機(jī)、密煉機(jī)、壓延機(jī)、螺桿擠出機(jī)、注射成型機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、主要零部件以及相關(guān)產(chǎn)品聯(lián)動線。[2]由于課程內(nèi)容較為繁多，與實際動手能力結(jié)合較強(qiáng)，但是在教學(xué)過程中偏理論講解，教學(xué)效果較差。在課程中學(xué)生反映對于設(shè)備的理解缺乏空間的形象認(rèn)識，對于各種零部件的組成無法與實際相聯(lián)系。因此，本文試將高分子綜合實驗課程中的3D打印[3]與成型設(shè)備相結(jié)合，提高教學(xué)效果以及學(xué)生的積極性。

2 3D打印對課程的改進(jìn)

目前的高分子成型設(shè)備主要是理論講解，但由于其中機(jī)械的零部件種類繁多，在課堂上很難讓學(xué)生一次性接收大量的知識。[4]本人在綜合實驗課程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于3D打印實驗興趣濃厚，但是相關(guān)實驗課程較少，3D打印機(jī)經(jīng)常閑置。[5]因此，本文利用學(xué)生的課后時間設(shè)計零件的CAD模型并用作3D打印，通過課堂講解-布置任務(wù)及設(shè)計-3D打印-課堂總結(jié)的模式提高學(xué)生的積極性以及對內(nèi)容的理解，以下將以壓延機(jī)為例對教改內(nèi)容進(jìn)行說明：

2.1 課堂講解

壓延機(jī)[6-7]是高分子材料加工中的重要設(shè)備，可用于壓片、擦膠、貼合、壓型、壓光等操作。在相關(guān)課程講授中，其主要內(nèi)容包括基本結(jié)構(gòu)、主要零部件、主要性能與參數(shù)、聯(lián)動生產(chǎn)線等。在課堂講解過程中，主要講授這些內(nèi)容，以便學(xué)生有一個整體性的認(rèn)識。[8-9]然后對其中的主要零部件的構(gòu)造和影響因素進(jìn)行講解，讓學(xué)生在下一步的設(shè)計思路有所把握。

例如，壓延機(jī)中最主要的零部件輥筒有幾點(diǎn)參數(shù)需要注意：足夠的剛性，以保證撓曲變形最小;足夠的硬度，以抵抗磨損;良好的精度和表面光潔度;良好的導(dǎo)熱性，幾何形狀應(yīng)合理防止應(yīng)力集中等。

2.2 布置任務(wù)及設(shè)計

在課堂講解完以后，給學(xué)生布置課后任務(wù)來鞏固教學(xué)，為了提高學(xué)生的實踐能力，將學(xué)生分為幾個大組，每組做一種零部件，每組的人數(shù)根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)影響參數(shù)來定，給每組一個標(biāo)準(zhǔn)零部件的圖，讓其在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改變。同樣以輥筒為例，由于輥筒有剛性、光潔度、精度、幾何形狀等可用于3D打印設(shè)計的參數(shù)，將此組人數(shù)定為4人，每人負(fù)責(zé)不同的結(jié)構(gòu)改變，并預(yù)測對零部件產(chǎn)生的影響。接下來學(xué)生在課后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計作業(yè)，在標(biāo)準(zhǔn)件的基礎(chǔ)上，以輥筒的幾何形狀為例，學(xué)生要做多個形狀的設(shè)計，包括橢圓形、圓柱形等，并對其應(yīng)力集中的點(diǎn)進(jìn)行計算或者預(yù)測，在此基礎(chǔ)上通過所學(xué)知識與其對于其他零部件的影響作出判斷。

2.3 3D打印

3D打印采取分組分時間段打印的方法。由于有多臺3D打印機(jī)，每組可在同一時間進(jìn)行打印，提高了組員之間的交流協(xié)作能力。學(xué)校有3D大印大賽，優(yōu)秀的作品可推薦到學(xué)校比賽作品當(dāng)中，進(jìn)一步提高學(xué)生的積極性。在實驗中會出現(xiàn)各種突發(fā)情況，比如在操作中會發(fā)現(xiàn)在設(shè)計中沒有考慮到的問題，實際的模型與理論上的會有很多的差異性，學(xué)生通過對比，對零件進(jìn)一步優(yōu)化，提高了對零件設(shè)計的認(rèn)識、動手操作能力和解決實際問題的能力。

2.4 課堂總結(jié)

每組學(xué)生將作品拍照放入PPT中并在課堂上講述設(shè)計原因，提高學(xué)生的表達(dá)能力。將學(xué)生的打印作品進(jìn)行編號并照相，對于其中出現(xiàn)的亮點(diǎn)給與肯定，并講解設(shè)計原因，出現(xiàn)問題的作品進(jìn)行糾正，從而鞏固課堂講授的內(nèi)容。在整門課程結(jié)束后，將所有學(xué)生的作品整合成為作品合集，不僅可作為學(xué)生對這門課的印象，而且可以作為教學(xué)資料在下一屆學(xué)生課堂中進(jìn)行展示，提高教學(xué)效果。在課堂總結(jié)結(jié)束后，將各個組的學(xué)生作品進(jìn)行整合，每組學(xué)生會有一到兩個能夠形成一個壓延機(jī)結(jié)構(gòu)的多個零部件，然后進(jìn)行組裝，了解各個零部件在設(shè)備中的位置和作用，從而對基本結(jié)構(gòu)也形成了一個清晰的認(rèn)識。

3 結(jié)語

高分子成型設(shè)備作為化工及材料類專業(yè)學(xué)生的重要拓展課程之一，由于其主要內(nèi)容是設(shè)備的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，與其他專業(yè)課程的內(nèi)容差別較大，而且內(nèi)容繁雜，學(xué)生的積極性以及對模型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是提高教學(xué)效果的一個關(guān)鍵。常規(guī)的課堂教學(xué)的單調(diào)性很難讓學(xué)生對設(shè)備的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生系統(tǒng)性的理解，常常會形成只認(rèn)識書本上的圖，在實際操作中無法與書中知識相對應(yīng)的情況。因此，筆者結(jié)合3D打印實驗，針對高分子成型設(shè)備課程的特點(diǎn)，提出了堂講解-布置任務(wù)及設(shè)計-3D打印-課堂總結(jié)的教學(xué)改革模式。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠了解課程的基礎(chǔ)知識，同時也具備了較好的創(chuàng)新設(shè)計能力和應(yīng)用能力。

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