《高分子材料成型模具》教學中的虛實結合

廖華勇，徐建平

(1.常州大學 材料科學與工程學院 江蘇省環境友好高分子材料重點實驗室，江蘇 常州 213164; 2.常州大學 材料科學與工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 常州 213164)

《高分子材料成型模具》是高分子專業的必修專業課，大綱要求能力目標之一是能對高分子制件與高分子成型模具零部件的設計要求進行準確的分析與表達，識別其中的關鍵因素。由于高分子專業的學生機械零件與機械設計基礎較薄弱，空間想象力欠缺，在學習中難以理解具有復雜結構的制件和模具零部件的工作原理。到實驗室觀察模具實物有助于解決問題，但模具內部的結構并不容易觀察到，并且頻繁地拆裝厚重的模具并不方便，對模具也有損傷。而借助于3D軟件，可以方便地繪制出需要的制件和模具零部件三維圖，并且能以不同的視角旋轉觀察，有利于更清楚地展示結構，幫助學生理解，提高學生的空間想象力。虛擬的模具模型要與實際的模具實物對應關聯，這就是模具教學中的“虛”、“實”結合。

1 高分子制件

我院使用的教材和制作的教學PPT上也有一些3D圖片和動畫，但并不是很全。需要教師自己準備，查找資料或者自己繪制。如下圖是筆者設計的塑料凳子的3D圖，看起來比較直觀。圖是用Solidworks軟件[1]繪制的。圖1a是塑料凳子的三視圖，右下角是其3D圖，可以看出，三視圖不太直觀，而3D圖較為直觀，結構清晰。但從圖1a的角度，還不能最大限度地觀察到塑料凳子底部的結構。圖1b是旋轉一個適當的角度后塑料凳子的結構，可更加清楚地看到凳子底部布局。如果需要，還能夠旋轉，看到凳子上表面的結構，而僅僅從三視圖上難以做到。凳子底部設計有加強筋，增加凳子的強度和剛度。凳子外表面邊緣設計有圓角，方便人使用，避免尖銳棱角傷人。要注意凳子壁厚適當，有一定的脫模斜度，凳子外表面光滑。這樣有了三維圖，就將塑件設計的各個影響因素都聯系在一起，便于學生學習。

圖1 塑料凳子的三視圖和3D圖

2 模具零部件

圖2 (a) 正視剖切圖(b)斜視剖切圖

在介紹塑料制件設計時，一般用拼塊組合方法成型形狀復雜的孔，如圖2a所示，正視剖切圖并不是特別容易理解，但如果制作3D圖，并且旋轉一個適當的角度，即如圖2b所示的斜視剖切圖，則模具內部結構非常清晰，一目了然。三維圖比三視圖顯然更加易讀，模具外表面和內部的孔以不同明暗光線顯示，分界線清晰。圖2中所示剖面的位置可以根據需要調節，以最大限度地顯示模具的內部結構。在學習用3D軟件設計繪制制件圖和模具圖的過程中，能夠發現三視圖設計難以發現的問題，還能獲得設計完成后的美感和成就感，給設計者以激勵，增加學習興趣，將單調枯燥的學習變成充滿樂趣的自主學習。

這樣的例子還有很多，例如潛伏式澆口的結構[2]、冷卻水道[3]用3D圖表示更容易理解。在帶本科畢業生做畢業設計時，我們要求學生學習3D軟件(如Solidworks，Pro/E[4])，設計出3維的塑件圖、模具零件圖和裝配圖。高分子專業制圖能力相對較差，可以向機械專業的同學學習。一開始學生有畏難情緒，但通過自學和請教他人，逐步掌握了制作3D圖的方法，這幾年都是這樣，取得了一定成績。作為教師，也要學習新知識(如學習3D制圖)，掌握新的教學方法，更新教學模式。3D軟件只是完成了制件或模具的設計，但熔體在模具中充模如何、澆口設計合理與否等等還是未知數。而Moldflow軟件[5]將模具與熔體充模流動分析結合起來，實現模-流互動，優化模具設計，將零碎的模具、材料知識融合。這樣，教學獲得的成功能夠大大激發教師教學興趣和學生學習的興趣。

虛實結合，是模具類以及機械專業課的發展趨勢。一些輔助的教學模式，如慕課教學模式在我院主干課中推廣，課堂教學與在線學習有機結合，學生通過手機或電腦在線學習、做單元測驗、在線考試等環節，學習效果有了明顯的提高。當然，無論什么教學手段，目的是要學生掌握知識，提高能力。而要真正提高教學效果，教學內容是最主要的。虛實結合，虛就是虛擬，實是實際、實物。現在流行一種VR(Virtual reality)即虛擬現實，在一定程度上代替實驗室操作，讓學生在虛擬現實中做虛擬實驗，能夠提高工程實踐能力。虛也能夠轉化為實，如用Pro/E或UG等3D軟件繪制3D圖，借助3D打印機，打印出實物模型，如塑料模具，供學生組裝學習，是提高空間想象力的好辦法。正如科研有實驗方法和仿真方法一樣，數值模擬技術迅猛發展，大大促進了虛擬仿真技術的進步。

3 結束語

模具教學中虛實結合，甚至推廣到其他課程中實現虛實互動，虛要以實際、實物為原型，實物實際若虛化為立體模型，將促進教學進步，教師和學生能夠從中獲得成就感，將模具知識融合成有機整體。再結合課堂教學、MOOC或SPOOC等在線課程，給傳統課堂注入新鮮活力。