3D打印在高分子成型设备课程中的应用

来源:用户上传      作者:于二雷 胡蕊

　　摘 要：高分子成型设备课程中设备结构复杂、零部件种类多，课堂教学效果较差且学生积极性不高。本文利用3D打印结合工程制图和高分子综合实验营造了设备及零件的模型制造平台，从而提高学生对课程内容的理解以及实际的动手能力。
　　关键词：高分子成型设备;3D打印;教学改革
　　1 课程简介
　　高分子成型设备课程是高分子材料的专业课，对本科生认识和了解加工工艺有重要意义。增强学生对塑料成型设备的认识，使学生具有较好的分析、解决工程实际问题的能力和创新设计能力。[1]高分子成型设备是巩固补充高分子化学、高分子物理、高分子成型加工、工程制图等课程知识的辅助环节，本课程着重塑料加工中的主要设备包括液压成型机、混合搅拌机、开炼机、密炼机、压延机、螺杆挤出机、注射成型机的整体结构、主要零部件以及相关产品联动线。[2]由于课程内容较为繁多，与实际动手能力结合较强，但是在教学过程中偏理论讲解，教学效果较差。在课程中学生反映对于设备的理解缺乏空间的形象认识，对于各种零部件的组成无法与实际相联系。因此，本文试将高分子综合实验课程中的3D打印[3]与成型设备相结合，提高教学效果以及学生的积极性。
　　2 3D打印对课程的改进
　　目前的高分子成型设备主要是理论讲解，但由于其中机械的零部件种类繁多，在课堂上很难让学生一次性接收大量的知识。[4]本人在综合实验课程中发现，学生对于3D打印实验兴趣浓厚，但是相关实验课程较少，3D打印机经常闲置。[5]因此，本文利用学生的课后时间设计零件的CAD模型并用作3D打印，通过课堂讲解-布置任务及设计-3D打印-课堂总结的模式提高学生的积极性以及对内容的理解，以下将以压延机为例对教改内容进行说明：
　　2.1 课堂讲解
　　压延机[6-7]是高分子材料加工中的重要设备，可用于压片、擦胶、贴合、压型、压光等操作。在相关课程讲授中，其主要内容包括基本结构、主要零部件、主要性能与参数、联动生产线等。在课堂讲解过程中，主要讲授这些内容，以便学生有一个整体性的认识。[8-9]然后对其中的主要零部件的构造和影响因素进行讲解，让学生在下一步的设计思路有所把握。
　　例如，压延机中最主要的零部件辊筒有几点参数需要注意：足够的刚性，以保证挠曲变形最小;足够的硬度，以抵抗磨损;良好的精度和表面光洁度;良好的导热性，几何形状应合理防止应力集中等。
　　2.2 布置任务及设计
　　在课堂讲解完以后，给学生布置课后任务来巩固教学，为了提高学生的实践能力，将学生分为几个大组，每组做一种零部件，每组的人数根据设备的结构影响参数来定，给每组一个标准零部件的图，让其在此基础上进行改变。同样以辊筒为例，由于辊筒有刚性、光洁度、精度、几何形状等可用于3D打印设计的参数，将此组人数定为4人，每人负责不同的结构改变，并预测对零部件产生的影响。接下来学生在课后进行结构设计作业，在标准件的基础上，以辊筒的几何形状为例，学生要做多个形状的设计，包括椭圆形、圆柱形等，并对其应力集中的点进行计算或者预测，在此基础上通过所学知识与其对于其他零部件的影响作出判断。
　　2.3 3D打印
　　3D打印采取分组分时间段打印的方法。由于有多台3D打印机，每组可在同一时间进行打印，提高了组员之间的交流协作能力。学校有3D大印大赛，优秀的作品可推荐到学校比赛作品当中，进一步提高学生的积极性。在实验中会出现各种突发情况，比如在操作中会发现在设计中没有考虑到的问题，实际的模型与理论上的会有很多的差异性，学生通过对比，对零件进一步优化，提高了对零件设计的认识、动手操作能力和解决实际问题的能力。
　　2.4 课堂总结
　　每组学生将作品拍照放入PPT中并在课堂上讲述设计原因，提高学生的表达能力。将学生的打印作品进行编号并照相，对于其中出现的亮点给与肯定，并讲解设计原因，出现问题的作品进行纠正，从而巩固课堂讲授的内容。在整门课程结束后，将所有学生的作品整合成为作品合集，不仅可作为学生对这门课的印象，而且可以作为教学资料在下一届学生课堂中进行展示，提高教学效果。在课堂总結结束后，将各个组的学生作品进行整合，每组学生会有一到两个能够形成一个压延机结构的多个零部件，然后进行组装，了解各个零部件在设备中的位置和作用，从而对基本结构也形成了一个清晰的认识。
　　3 结语
　　高分子成型设备作为化工及材料类专业学生的重要拓展课程之一，由于其主要内容是设备的结构及参数，与其他专业课程的内容差别较大，而且内容繁杂，学生的积极性以及对模型结构的认识是提高教学效果的一个关键。常规的课堂教学的单调性很难让学生对设备的结构产生系统性的理解，常常会形成只认识书本上的图，在实际操作中无法与书中知识相对应的情况。因此，笔者结合3D打印实验，针对高分子成型设备课程的特点，提出了堂讲解-布置任务及设计-3D打印-课堂总结的教学改革模式。通过本课程的学习，学生不仅能够了解课程的基础知识，同时也具备了较好的创新设计能力和应用能力。
　　参考文献：
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　　[4]程虎，方志刚.应用型高校材料成型设备课程教学模式的改革与探讨[J].科教文汇，2011，201（1）：16.
　　[5]成思源，周小东，杨雪荣，等.基于数字化逆向建模的3D打印实验教学[J].实验技术与管理，2015，1.
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　　[8]吕淑艳.《冲压与塑料成型设备》课教学改革方案探索[J].包头职业技术学院学报，2012（3）：77-79.
　　[9]王蕾.《塑料成型工艺及模具设计》专业课教改探讨[J].中国科技信息，2010（17）：233-234.
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