材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

龍杰靈

【摘 要】 材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的材料加工成型是材料學(xué)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)材料加工設(shè)備昂貴、手段復(fù)雜、材料加工，難以在專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中展開(kāi)，使學(xué)生的日常學(xué)習(xí)和操作練習(xí)很難得到一手的資料和實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。借助3D打印技術(shù)，學(xué)生可突破材料加工成型實(shí)驗(yàn)的桎梏。因此，文中重點(diǎn)分析材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】材料科學(xué)與工程；實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)；3D打印技術(shù)

與其他學(xué)科相比，材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，以學(xué)生的動(dòng)手操作和練習(xí)作為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和知識(shí)理解能力的重要組成部分。但是就目前各學(xué)校的基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)現(xiàn)狀來(lái)看，傳統(tǒng)材料加工設(shè)備昂貴、手段復(fù)雜、材料加工，難以在專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中展開(kāi)，這勢(shì)必導(dǎo)致材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力無(wú)法有效提升。然而，3D打印技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的融入可幫助學(xué)生提升對(duì)材料成型加工技術(shù)的認(rèn)知與理解，借助實(shí)驗(yàn)的巧妙設(shè)計(jì)，可鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和協(xié)作能力。

一、3D打印技術(shù)課程引入的基本要求

以加工制備反應(yīng)釜模型實(shí)驗(yàn)為例，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需要考察學(xué)生掌握機(jī)械制圖的能力以及知識(shí)水平。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以二維平面圖的解讀結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用3D建模手段將二維平面圖轉(zhuǎn)化成三維立體數(shù)字模型。在具體轉(zhuǎn)化過(guò)程中，學(xué)生需要在鞏固原有所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，選擇3D打印機(jī)所需的材料，比如金屬粉末、聚乳酸PLA等。目前比較容易帶入到材料科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)習(xí)及教學(xué)中的3D打印機(jī)材料是環(huán)境友好型材料ABS樹(shù)脂和PLA。學(xué)生通過(guò)使用3D打印技術(shù)，可對(duì)日常學(xué)到的理論知識(shí)產(chǎn)生直觀的認(rèn)知，尤其是對(duì)學(xué)到的材料性能有更為立體的直觀的觀察機(jī)會(huì)。

二、3D打印技術(shù)對(duì)材料科學(xué)與工程學(xué)科的價(jià)值

1.利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，輔助拓展實(shí)踐領(lǐng)域

3D打印技術(shù)是以數(shù)學(xué)化模型作為基礎(chǔ)，可快速成型的加工技術(shù)。作為第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具，3D打印技術(shù)是具有將三維實(shí)體加工技術(shù)轉(zhuǎn)化成離散堆積成型技術(shù)，繼而轉(zhuǎn)化為復(fù)雜形態(tài)的樣品和可實(shí)現(xiàn)功能梯度的材料。材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入的3D打印技術(shù)，正是借鑒了3D打印技術(shù)的此種優(yōu)勢(shì)，借助其建模、分層、打印、后處理四個(gè)操作階段的階梯性補(bǔ)充，來(lái)幫助材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生解決材料加工設(shè)備及材料昂貴，無(wú)法隨時(shí)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的問(wèn)題。

此外，3D打印技術(shù)作為一門(mén)綜合過(guò)程控制基礎(chǔ)、工業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)三維立體建模技術(shù)、材料加工和材料制備等多領(lǐng)域融合成因加工技術(shù)在內(nèi)的新興成型技術(shù)。以上各類(lèi)技術(shù)與材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)均有關(guān)聯(lián)性，也正因?yàn)槿绱耍?D打印技術(shù)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的引入，不僅能幫助材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)完成材料加工及成型實(shí)驗(yàn)，還可幫助材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)進(jìn)行多知識(shí)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展及深入研究。

2.利于學(xué)生實(shí)踐練習(xí)，輔助師生教、學(xué)創(chuàng)新

《材料加工工程》是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)課程的重要組成部分，其學(xué)習(xí)的目標(biāo)在于高分子材料的結(jié)構(gòu)與組成、性能以及高分子成型加工技術(shù)等。3D打印技術(shù)引入到課程中的目的在于幫助學(xué)生進(jìn)一步了解反應(yīng)釜模型的內(nèi)部構(gòu)造和外部表現(xiàn)，內(nèi)化本課中學(xué)到的知識(shí)，甚至鞏固原來(lái)學(xué)過(guò)的，與本科相關(guān)的知識(shí)等。

學(xué)生借助引入3D打印技術(shù)的形式，可深入理解《化工原理》課程中的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)溫故知新，在3D打印技術(shù)的輔助下，完成加工制備反應(yīng)釜模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)操作的步驟和操作的要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)加深認(rèn)知。傳統(tǒng)化學(xué)原理理論教學(xué)中加工制備反應(yīng)釜模型大都以二維波面圖的方式來(lái)展示，但是加工制備反應(yīng)釜模型在3D打印技術(shù)幫助下立體成型后，學(xué)生可直觀的觀察反應(yīng)釜模型的表面和內(nèi)部構(gòu)造。此實(shí)驗(yàn)形式為學(xué)生提供親手制作反應(yīng)釜模型的機(jī)會(huì)，利于學(xué)生強(qiáng)化對(duì)反應(yīng)釜模型相關(guān)描述的認(rèn)知，也便于學(xué)生借助反應(yīng)釜3D模型來(lái)進(jìn)一步串聯(lián)與此課程相關(guān)的其他專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

三、3D打印技術(shù)在材料科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)習(xí)中的應(yīng)用反思

現(xiàn)階段工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的改革基本將焦點(diǎn)放在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上。雖然此種改革方式對(duì)提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新意識(shí)起到的作用極為重大。但是在具體應(yīng)用過(guò)程中也需要考慮到可操作性和可實(shí)踐性。3D打印技術(shù)在材料科學(xué)與工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，因其便捷性可以為學(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，即便是在課堂外，也可以在不接受教師的引導(dǎo)下自行完成實(shí)驗(yàn)操作。

但是3D打印技術(shù)在材料科學(xué)與工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的難點(diǎn)并不在于兩者的融合和表現(xiàn)方式，而是在于如何以3D打印技術(shù)作為載體，進(jìn)一步深化基礎(chǔ)實(shí)踐的應(yīng)用成效，甚至規(guī)范基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的操作步驟等。對(duì)于學(xué)生的日常學(xué)習(xí)而言，此類(lèi)要求相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于材料科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)習(xí)中包括持續(xù)發(fā)展而言，3D打印技術(shù)也只是現(xiàn)階段解決目前材料科學(xué)與工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)中不足的一種方式，并不代表著具有永久性，故而，基于材料科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)習(xí)的實(shí)踐操作需求，建議教師和學(xué)生繼續(xù)搜集其他技術(shù)操作手段作為材料科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)習(xí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)的輔助方式。

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