材料科学与工程实验学习中3D打印技术的应用

龙杰灵

【摘 要】 材料科学与工程实验学习中的材料加工成型是材料学研究的重点。传统材料加工设备昂贵、手段复杂、材料加工，难以在专业教学实验中展开，使学生的日常学习和操作练习很难得到一手的资料和实验的机会。借助3D打印技术，学生可突破材料加工成型实验的桎梏。因此，文中重点分析材料科学与工程实验学习中3D打印技术的应用的可行性。

【关键词】材料科学与工程；实验学习；3D打印技术

与其他学科相比，材料科学与工程专业的实验教学以理论教学为基础，以学生的动手操作和练习作为培养学生动手操作能力和知识理解能力的重要组成部分。但是就目前各学校的基础设备供应现状来看，传统材料加工设备昂贵、手段复杂、材料加工，难以在专业教学实验中展开，这势必导致材料科学与工程专业学生实践能力和创新能力无法有效提升。然而，3D打印技术在材料科学与工程专业实验教学中的融入可帮助学生提升对材料成型加工技术的认知与理解，借助实验的巧妙设计，可锻炼学生的创新能力和协作能力。

一、3D打印技术课程引入的基本要求

以加工制备反应釜模型实验为例，此项实验需要考察学生掌握机械制图的能力以及知识水平。实验要求学生以二维平面图的解读结果为基础，运用3D建模手段将二维平面图转化成三维立体数字模型。在具体转化过程中，学生需要在巩固原有所学知识的基础上，选择3D打印机所需的材料，比如金属粉末、聚乳酸PLA等。目前比较容易带入到材料科学与工程学科学习及教学中的3D打印机材料是环境友好型材料ABS树脂和PLA。学生通过使用3D打印技术，可对日常学到的理论知识产生直观的认知，尤其是对学到的材料性能有更为立体的直观的观察机会。

二、3D打印技术对材料科学与工程学科的价值

1.利于节约实验成本，辅助拓展实践领域

3D打印技术是以数学化模型作为基础，可快速成型的加工技术。作为第三次工业革命的重要生产工具，3D打印技术是具有将三维实体加工技术转化成离散堆积成型技术，继而转化为复杂形态的样品和可实现功能梯度的材料。材料科学与工程专业的实验教学中引入的3D打印技术，正是借鉴了3D打印技术的此种优势，借助其建模、分层、打印、后处理四个操作阶段的阶梯性补充，来帮助材料科学与工程专业的学生解决材料加工设备及材料昂贵，无法随时实验和分析实验操作过程的问题。

此外，3D打印技术作为一门综合过程控制基础、工业设计、计算机三维立体建模技术、材料加工和材料制备等多领域融合成因加工技术在内的新兴成型技术。以上各类技术与材料科学与工程专业均有关联性，也正因为如此，3D打印技术在材料科学与工程专业的实验教学中的引入，不仅能帮助材料科学与工程专业完成材料加工及成型实验，还可帮助材料科学与工程专业进行多知识领域的实验教学拓展及深入研究。

2.利于学生实践练习，辅助师生教、学创新

《材料加工工程》是材料科学与工程专业课程的重要组成部分，其学习的目标在于高分子材料的结构与组成、性能以及高分子成型加工技术等。3D打印技术引入到课程中的目的在于帮助学生进一步了解反应釜模型的内部构造和外部表现，内化本课中学到的知识，甚至巩固原来学过的，与本科相关的知识等。

学生借助引入3D打印技术的形式，可深入理解《化工原理》课程中的相关知识，通过温故知新，在3D打印技术的辅助下，完成加工制备反应釜模型实验，对该实验操作的步骤和操作的要求，通过实验来加深认知。传统化学原理理论教学中加工制备反应釜模型大都以二维波面图的方式来展示，但是加工制备反应釜模型在3D打印技术帮助下立体成型后，学生可直观的观察反应釜模型的表面和内部构造。此实验形式为学生提供亲手制作反应釜模型的机会，利于学生强化对反应釜模型相关描述的认知，也便于学生借助反应釜3D模型来进一步串联与此课程相关的其他专业知识。

三、3D打印技术在材料科学与工程学科学习中的应用反思

现阶段工科类专业实验课程的改革基本将焦点放在创新性实验的设计上。虽然此种改革方式对提升学生的团队协作能力和创新意识起到的作用极为重大。但是在具体应用过程中也需要考虑到可操作性和可实践性。3D打印技术在材料科学与工程学科实验中的应用，因其便捷性可以为学生提供更多的实验机会，即便是在课堂外，也可以在不接受教师的引导下自行完成实验操作。

但是3D打印技术在材料科学与工程学科实验中应用的难点并不在于两者的融合和表现方式，而是在于如何以3D打印技術作为载体，进一步深化基础实践的应用成效，甚至规范基础实验的操作步骤等。对于学生的日常学习而言，此类要求相对简单，但是对于材料科学与工程学科学习中包括持续发展而言，3D打印技术也只是现阶段解决目前材料科学与工程学科实验中不足的一种方式，并不代表着具有永久性，故而，基于材料科学与工程学科学习的实践操作需求，建议教师和学生继续搜集其他技术操作手段作为材料科学与工程学科学习中无法实现的实验的辅助方式。

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