《三维打印技术》课程教学大纲

《三维打印技术》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145123115课程名称（中/英文）：三维打印技术/ThreeDimensionalPrintingTechnology课程类别：学科专业选修课程学分：1总学时：16理论学时：16实验/实践学时：0适用专业：高分子材料与工程适用对象：本科先修课程：程序设计基础、材料科学基础教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《三维打印技术》是高分子材料与工程专业的一门专业选修课程。通过本课程的学习，使学生系统认识3D打印机的原理和结构，掌握3D打印自由成形工艺，了解3D打印技术最新的应用进展趋势。培养学生对3D打印技术的兴趣和爱好，为今后的科研与工作奠定基础。2.对接培养的岗位能力通过学习，了解3D打印技术的现状，开阔学生的视野，丰富学生的生活，发展学生的创意思维，激发学生学习技术的兴趣与热情。形成初步的3D制造技术概念以和了解3D建模的方法，以及对技术作品的鉴赏能力。学习3D建模技能，提高学生的动手能力；实现能力的迁移与拓展。同时培养学生的社会责任感；提高学生的技术素养。营造浓厚的学习气氛，让学生在借鉴中模仿，在模仿中思考，在思考中创新，增强社会，生活，知识产权观念，提高科学理论精神和技术素养。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点4.1]能够基于科学原理和专业理论，通过文献研究或相关方法，调研和分析高分子材料、聚合物基复合材料或塑料模具领域复杂工程问题的解决方案[毕业要求指标点5.2]能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对高分子材料、聚合物基复合材料或塑料模具领域复杂工程问题进行分析、计算与设计。[毕业要求指标点9.1]能够正确理解团队的重要性，能主动与其他学科的成员共享专业信息、合作共事。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下教学目标1：使学生对三维打印技术的发展概况、基本原理和应用领域有初步了解，对主要技术及应用有一定掌握，启发学生对三维打印技术的兴趣，培养知识创新和技术创新能力，初步形成利用三维打印技术知识与技术分析本专业问题和解决问题的意愿。（支撑毕业要求指标点4.1）教学目标2：培养学生形成良好的科学文化、职业道德和技术文化素养，在面对工程问题时，能够基于三维打印技术的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论，具有应用三维打印技术的思维和方法解决问题的能力。（支撑毕业要求指标点5.2）教学目标3：使得学生在实践中具有团队意识、表达能力、社交能力、文献查阅等素质与能力；具备以能力为导向的知识储备，具有不断学习和推广新技术的创新和进取精神。（支撑毕业要求指标点9.1）四、教学课时安排（一）学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题或知识点1绪论22001、2、3主题或知识点23D打印基础理论22001、2、3主题或知识点33D打印材料技术22001、2、3主题或知识点43D打印能源技术22001、2、3主题或知识点53D打印数据反求技术22001、2、3主题或知识点63D打印软件技术22001、2、3主题或知识点7异质材料3D打印技术22001、2、3主题或知识点三维实体微打印技术22001、2、3合计161600五、教学内容及教学设计主题1绪论1.教学内容三维打印技术的发展进程、三维打印及其制品的定义分类、发展概况及发展方向。2.教学重点三维打印技术的发展概况及有关新技术。3.教学难点三维打印技术的发展概况及有关新技术。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题2三维打印基础理论1.教学内容掌握受迫成型、去除成型、和生长成型的成型过程；掌握离散/堆积成型的成型过程；了解固化单元、CAD实体点的概念；掌握离散-叠加过程的三个层次；明确三维打印零件的特点，了解其变形的宏观表现；了解三维打印零件的层内应力和层间应力的分析方法，掌握抑制三维打印零件分层破坏的措施；掌握三维打印的精度分类，以及各精度的定义；了解三维打印零件精度的测量次数的优化方法；掌握影响三维打印零件精度的因素；了解异质零件(HMP)、异质实体(HEO)和STL文件格式的概念，以及微四面体的创建流程。2.教学重点离散-叠加过程；三维打印零件的变形理论，包括零件特点，变形的宏观表现、层内/层间的应力分析及抑制分层破坏的措施；三维打印的精度分类以及影响精度的因素。3.教学难点三维打印零件的层内应力分析；三维打印零件的层间应力分析。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题3三维打印材料技术1.教学内容解目前国内外对三维打印材料的主要研究工作；理解光固化的概念，光固化的方式，光固化的物质基础，光固化成型过程，了解光固化成型技术的优点；掌握光固化树脂的特性，光固化组成体系中预聚物、活性单体、光引发剂、添加剂的种类和作用；明确导电型光敏树脂、纤维-树脂复合材料、光敏树脂的陶瓷强化的作用与应用，了解光固化成型的发展与研究方向；了解适合SLS工艺中应用的高分子粉末材料、石蜡粉末材料、陶瓷粉末材料、覆膜砂粉末材料、塑料粉末材料、金属粉末材料；了解适合LOM工艺中应用的纸质材料、陶瓷材料；了解适合FDM工艺中应用的熔丝线材、FDM陶瓷材料、木塑复合材料，以及适用于FDM工艺的支撑材料；了解适合3DP工艺中应用的塑料材料、金属材料、陶瓷材料以及新发展起来的多孔钛材料、粉末材料、生物材料，以及适用于3DP工艺的支撑材料；掌握剥离、修补、打磨、抛光和表面涂覆的材料后处理方法。2.教学重点满足三维打印系统特殊成型工艺的成型材料种类及应用。3.教学难点光固化成型体系的组成，以及各物质的作用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题4三维打印能源技术1.教学内容明确SL工艺中快速成型系统、光学系统、成型材料对光源的要求；掌握SL工艺的三种光源：气体激光器、固体激光器、半导体激光器；了解SL工艺中的紫外辐射光学系统；了解SLS工艺中的光学系统；了解FDM工艺中的加热系统；了解LOM工艺中的辊筒式加热系统和平板式加热系统；了解LOM工艺中浮动辊热压方式、平板式热压方式、气囊式热压方式、板式热压方式；了解3DP工艺中连续喷墨系统、按需滴落式喷墨系统。2.教学重点三维打印工艺所使用的两类能源系统：以光源为主的能源系统、以加热为主的能源系统；SL工艺中对光源选择的依据，以及常用激光器光源：气体激光器、固体激光器和半导体激光器。3.教学难点本章节中各种结构示意图。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题5三维打印数据反求技术1.教学内容掌握“实物反求工程”的定义，三维反求工程的四个阶段和三维打印数据反求技术的面数据采集法和体数据采集法；了解三维打印数据反求技术的应用以及国内外的研究现状；了解体数据反求技术中的CT测量法、MRI测量法和超声波测量法，掌握层去图像扫描测量法；了解面数据反求技术中的激光三角形法、投影光栅法和立体视觉测量方法，掌握三坐标测量法和结构光三维扫描法。2.教学重点“实物反求工程”的定义，三维反求工程的四个阶段；体数据反求技术：层去图像扫描测量法；面数据反求技术：三坐标测量法、结构光三维扫描法。3.教学难点结构光三维扫描法中的关键技术，如系统标定、结构光编码、测量数据拼接处理技术。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题6三维打印软件技术1.教学内容了解三维打印软件的运行流程；了解三维打印软件设计方法分类，包括正向设计、逆向设计、正逆向混合设计；掌握正向设计技术和逆向设计技术，包括正向建模方法、STL文件、数据预处理、离散曲面建模方法；掌握模型支撑添加技术，包括支撑添加的类型，支撑添加的途径；掌握STL切片技术，包括定层厚拓扑切片、定层厚容错切片、直接分层切片；了解三维打印成型工艺数据处理流程。2.教学重点正向设计技术中正向建模方法，几何建模的分类和特征建模的定义及分类；逆向设计的概念，离散数据的表示，STL文件遵循的规则，STL文件有效性检查和修复；数据预处理的作用和方法，离散曲面建模方法；模型支撑的类型，以及添加途径；拓扑切片流程运用到的方法，扫描工艺中的扫描方式设计准则和扫描方式。3.教学难点特征建模中的参数化设计和变量化设计，二者都是基于特征设计和全数据实现尺寸驱动设计修改；不同点在于参数化设计强调尺寸全约束，利用尺寸约束，而变量化设计可以过约束，也可欠约束，可是尺寸约束，也可几何、工程约束；STL文件遵循规则，不满足规则可能出现的缺陷，修复文件用到的算法和流程；拓扑切片流程主要包括拓扑信息重建，奇异点排除，搜索求交，整序保存四个过程；直接分层切片在精度上要注意阶梯效应和包容问题这两方面；如何运用坐标极值判别法进行零件层片内外轮廓的设别，扫描数据的3个步骤及扫描方式设计的3个准则。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题7异质材料三维打印技术1.教学内容了解异质实体分类：人造型HEO、自然型HEO、变异型HEO，异质材料在零件上的应用以及异质材零件的发展现状；掌握静态型异质材料建模：结构空间描述、材料空间的描述；了解HEO静态建模方法的研究现状：基于体素HEO建模、基于B-Rep的HEO建模；掌握基于微四面体的HEO内外表面材料设计方法；掌握动态异质材料的概念，了解基于特征节点的动态HEO材料建模方法；掌握微滴喷射工艺在三维打印技术中的应用，了解在此基础上的异质材料模型的设计和制造流程。2.教学重点静态型HEOCAD空间描述；HEO静态建模方法：基于体素HEO建模、基于B-Rep的HEO建模；基于微四面体的HEO内外表面材料设计；微滴喷射工艺与三维打印技术的结合。3.教学难点基于微四面体HEO内外表面材料设计；基于微滴喷射的HEO零件成型方法。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。主题8三维实体微打印技术1.教学内容掌握液料光固化微立体光刻过程；掌握液滴微喷射原理，微液滴沉积成形原理；了解热气泡式液滴微喷射、压电容积式微喷射、气动液滴微喷射、脉冲惯性式液滴微喷射；了解三维实体微打印成型设备；了解三维实体微打印的应用和发展趋势。2.教学重点液料光固化微立体光刻过程；微液滴喷射原理，以及热气泡式、压电容积式和气动式液滴微喷技术；微液滴沉积成形机理。3.教学难点热气泡式、压电容积式和气动式液滴微喷技术的微液滴喷射机理。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用线上线下混合式教学，课堂多媒体与板书相结合，授课过程中采用问题讨论式、案例式、启发式等多种教学方法，并积极引入课程思政元素。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例本课程考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力、实践动手能力和创新能力等；考核方式采用平时成绩和期末考核相结合。平时成绩，主要根据其出勤情况，作业、课堂表现、阶段测试等进行评定，占总成绩的40%；期末考试（建议以开卷为主）占总成绩的60%。学生成绩评定样表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文实验√√√√成绩比例%10101010602.课程目标考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标与考核方式评价权重表课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核期末考试合计出勤及课堂表现作业及阶段测验教学目标1指标点4.1101015-3035-50教学目标2指标点5.25515-2020-30教学目标3指标点9.15515-1825-28合计2020601003.成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）出勤及课堂表现（20%）无迟到、早退、旷课现象。积极参加课堂讨论，并有自己独到的见解，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退现象。较为积极参加课堂讨论，能够准确回答问题，并提出自己的见解。有迟到、早退现象。能够主动参加课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课现象。参与课堂讨论，基本能回答相关问题。迟到、早退、旷课较多。不能有效参加课堂讨论，回答不出所有问题。作业（10%）能够独立完成作业，作业完成质量优秀，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论能够独立完成作业，完成质量较高，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论能够独立完成作业，完成质量符合要求，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论基本能够独立完成作业，部分题目解答存在抄袭现象，运用所学知识和理论解决问题的能力基本符合要求不能独立完成作业，存在明显抄袭现象，不具备运用所学知识和理论解决问题的能力阶段测验（10%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为优良完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教学目标1学生非常熟悉三维打印的发展历史、基本理论、基本方法和应用领域，对该领域内热点和行业发展方向有清晰认知，并为解决材料的评价、选用及改进材料性能等问题打下坚实的基础。学生比较熟悉三维打印的发展历史、基本理论、基本方法和应用领域，对该领域内热点和行业发展方向有较为清晰认知，并为解决材料的评价、选用及改进材料性能等问题打下较为坚实的基础。学生了解三维打印的发展历史、基本理论、基本方法和应用领域，清楚该领域内热点和行业发展方向，并为解决材料的评价、选用及改进材料性能等问题打下一定基础。学生对三维打印的发展历史、基本理论、基本方法和应用领域有所了解，对该领域内热点和行业发展方向也有基本正确的认知，并解决材料的评价、选用及改进材料性能等问题打下一定的基础。学生不了解三维打印的发展历史、基本理论、基本方法和应用领域，对该领域内热点和行业发展方向也没有形成正确的认知，也未能为解决材料的评价、选用及改进材料性能等问题打下基础。教学目标2学生形成3D打印技术学习的浓厚兴趣，很好地培养了其发散性思维方式，独立思考和解决问题的能力，以及应用3D打印技术处理解决实际问题的能力极大提高。在面对工程问题时，能够熟练地基于三维打印的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论。具有优秀的应用三维打印的思维和方法解决问题的能力。学生形成3D打印技术学习的较浓厚兴趣，较好地培养了其发散性思维方式，独立思考和解决问题的能力，以及应用3D打印技术处理解决实际问题的能力较大提高。在面对工程问题时，能够较为熟练地基于三维打印的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论。具有较为优秀的应用三维打印的思维和方法解决问题的能力。学生形成3D打印技术学习的一定兴趣，基本培养其发散性思维方式，独立思考和解决问题的能力，以及应用3D打印技术处理解决实际问题的能力一定提高。在面对工程问题时，能够正确地基于三维打印的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论。具有一定的应用三维打印的思维和方法解决问题的能力。学生形成3D打印技术学习的一定兴趣，基本培养其发散性思维方式，独立思考和解决问题的能力，以及应用3D打印技术处理解决实际问题的能力有所提高。在面对工程问题时，能够正确地基于三维打印的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论。具有较少的应用三维打印的思维和方法解决问题的能力。学生未能形成3D打印技术学习的浓厚兴趣，也为培养其发散性思维方式，独立思考和解决问题的能力，以及应用3D打印技术处理解决实际问题的能力极大提高。在面对工程问题时，能够熟练地基于三维打印的原理、采用科学方法对问题进行研究并设计实验，进行探索和分析讨论。具有优秀的应用三维打印的思维和方法解决问题的能力。教学目标3学生在实践中，具有优秀的团队意识、表达能力、社交能力、