3D打印在高分子成型設備課程中的應用

于二雷 胡蕊

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

關鍵詞：高分子成型設備;3D打印;教學改革

1 課程簡介

高分子成型設備課程是高分子材料的專業課，對本科生認識和了解加工工藝有重要意義。增強學生對塑料成型設備的認識，使學生具有較好的分析、解決工程實際問題的能力和創新設計能力。[1]高分子成型設備是鞏固補充高分子化學、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節，本課程著重塑料加工中的主要設備包括液壓成型機、混合攪拌機、開煉機、密煉機、壓延機、螺桿擠出機、注射成型機的整體結構、主要零部件以及相關產品聯動線。[2]由于課程內容較為繁多，與實際動手能力結合較強，但是在教學過程中偏理論講解，教學效果較差。在課程中學生反映對于設備的理解缺乏空間的形象認識，對于各種零部件的組成無法與實際相聯系。因此，本文試將高分子綜合實驗課程中的3D打印[3]與成型設備相結合，提高教學效果以及學生的積極性。

2 3D打印對課程的改進

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

2.1 課堂講解

壓延機[6-7]是高分子材料加工中的重要設備，可用于壓片、擦膠、貼合、壓型、壓光等操作。在相關課程講授中，其主要內容包括基本結構、主要零部件、主要性能與參數、聯動生產線等。在課堂講解過程中，主要講授這些內容，以便學生有一個整體性的認識。[8-9]然后對其中的主要零部件的構造和影響因素進行講解，讓學生在下一步的設計思路有所把握。

例如，壓延機中最主要的零部件輥筒有幾點參數需要注意：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;良好的導熱性，幾何形狀應合理防止應力集中等。

2.2 布置任務及設計

在課堂講解完以后，給學生布置課后任務來鞏固教學，為了提高學生的實踐能力，將學生分為幾個大組，每組做一種零部件，每組的人數根據設備的結構影響參數來定，給每組一個標準零部件的圖，讓其在此基礎上進行改變。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打印設計的參數，將此組人數定為4人，每人負責不同的結構改變，并預測對零部件產生的影響。接下來學生在課后進行結構設計作業，在標準件的基礎上，以輥筒的幾何形狀為例，學生要做多個形狀的設計，包括橢圓形、圓柱形等，并對其應力集中的點進行計算或者預測，在此基礎上通過所學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，每組可在同一時間進行打印，提高了組員之間的交流協作能力。學校有3D大印大賽，優秀的作品可推薦到學校比賽作品當中，進一步提高學生的積極性。在實驗中會出現各種突發情況，比如在操作中會發現在設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，學生通過對比，對零件進一步優化，提高了對零件設計的認識、動手操作能力和解決實際問題的能力。

2.4 課堂總結

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

3 結語

高分子成型設備作為化工及材料類專業學生的重要拓展課程之一，由于其主要內容是設備的結構及參數，與其他專業課程的內容差別較大，而且內容繁雜，學生的積極性以及對模型結構的認識是提高教學效果的一個關鍵。常規的課堂教學的單調性很難讓學生對設備的結構產生系統性的理解，常常會形成只認識書本上的圖，在實際操作中無法與書中知識相對應的情況。因此，筆者結合3D打印實驗，針對高分子成型設備課程的特點，提出了堂講解-布置任務及設計-3D打印-課堂總結的教學改革模式。通過本課程的學習，學生不僅能夠了解課程的基礎知識，同時也具備了較好的創新設計能力和應用能力。

參考文獻：

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[2]劉廷華，魏麗喬，吳世見.聚合物成型機械[M].中國輕工業出版社，2013.

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[9]王蕾.《塑料成型工藝及模具設計》專業課教改探討[J].中國科技信息，2010（17）：233-234.