《3D打印技术与设备》课程教学大纲

一、   课程基本信息

1．课程代码：58010750011

2．课程名称：3D打印技术与设备

3．课程类别：专业核心课程

4．授课对象：材料成型与控制技术专业

5．开课单位：机电技术系

6．教学时间安排：第二学期

7．先修课程：3D打印认知实训

8．后续课程：3D扫描技术及应用、3D成型材料功能与应用、3D打印与电子商务

9．课程描述：本课程为专业方向课程，主要培养学生掌握3D建模与3D打印的知识和技能，从而为从事3D产品设计、三维扫描逆向造型、3D打印设备操作、设备维护及管理等工作奠定基础。

10．学时安排：48学时

二、   课程教学目标及教学任务

（一）教学目标

通过本课程的学习，使学生了解3D打印技术的现状与前景，掌握3D打印机的构造及工作原理，能够对3D打印机进行熟练操作与维护，掌握3D扫描仪器的使用、设置及维护，并且会使用三维数据处理软件，打印各种实物零部件模型，为该专业的学习与日后从事相关技术培养良好的专业技能。

（二）创新应用型人才能力体系

（三）教学任务

本课程的教学任务是教会学生掌握3D打印技术从逆向处理到正向处理的整个过程。要完成的具体任务如下：

1．完成3D打印机的组装与维护；

2．逆向过程项目案例：使用扫描仪，扫描人体头像，并且后期处理扫描模型；

3．正向过程项目案例：通过三维设计软件，设计制作笔筒、设计制作花瓶、设计制作耳机收纳盒、设计制作零件模型，并且正向通过3D打印机打印出来。

4．学会Form打印机的操作。  

三、   各单元教学内容及基本要求

单元项目一 3D打印技术概论

关联项目：项目三、项目四、项目五

项目内容：3D打印新技术

实施方法：讲授、讨论、演示等

课内学时：2学时

    实践场所：多媒体教室

任务一：探讨3D打印技术的现状、应用及前景

1.  任务描述：了解3D打印技术的概念、研究现状、应用领域及发展前景。

2.  任务分析：本次课主要通过讲述3D打印技术与传统加工方法的区别引出3D打印概念，通过打印案例讲述3D打印的应用领域及其发展前景。

3.  知识链接：

①　了解3D打印技术发展的产业背景 ；

②　了解3D打印技术的现状；

③　熟悉3D打印应用的领域；

④　认识3D打印发展前景；

4.  任务实施：以小组的形式探讨3D打印技术概况。

项目成果：调查报告，PPT

考核方式：PPT演示，小组答辩。

单元项目二 3D打印机的组装

关联项目：项目三、项目四、项目五

项目内容：学生动手组装3D打印机

实施方法：指导教学、实验

课内学时：16学时

实践场所：3D打印实验室

任务一：3D打印技术

1.任务描述：掌握FDM成型技术的工艺原理，学会分析FDM成型工艺因素对打印模型的影响。

2．任务分析：本次课主要讲解FDM成型技术的工艺原理，通过原理总结FDM成型特点，通过介绍FDM成型工艺过程，分析其工艺因素（材料性能、喷头温度、层厚等）对打印模型精度的影响。

3.知识链接：

① 掌握FDM成型工艺的基本原理和特点

② 了解FDM成型材料及设备

③ 掌握FDM成型工艺过程

④ 理解FDM成型工艺因素分析

4.任务实施：具体实施步骤：

① 通过引入打印视频案例讲解FDM成型技术的工艺原理；

② 学生以组为单位查询FDM成型技术的相关知识并进行总结。

任务二：3D打印机工作原理及构造

1.任务描述：掌握3D打印机工作原理，认识3D打印机的基本构造。

2.任务分析：本次课主要讲解3D打印机的基本原理，介绍其发展历史，分析3D打印机的基本构造，及3D打印机内部视图的讲解。

3.知识链接：

① 掌握3D打印机基本原理

② 了解3D打印机的发展历史

③ 清楚3D打印机的基本构造

4.任务实施：通过3D打印机实物及打印过程视频讲解基本原理及基本构造。

任务三：3D打印机配套的切片软件

1.任务描述：掌握切片软件的使用及基本参数设置，掌握3D打印机的日常维护。

2．任务分析：本次课通过3D打印机所识别的打印格式介绍切片软件的作用，通过具体的切片软件操作演示讲解其操作，介绍切片软件的基本参数（层高、填充密度、打印速度、打印温度）设置、模型摆放方位的确定、支撑的添加类型等对打印效率及模型精度的影响。

3．知识链接：

① 掌握切片软件的安装

② 熟练掌握切片软件的操作

③ 掌握切片软件的基本参数设置

4.任务实施：通过电脑演示切片软件的操作，以具体的案例讲解切片软件的基本参数设置。

任务四：组装3D打印机

1.任务描述：掌握3D打印机的框架拼装，Y轴组装，X轴组装，Z轴组装，热床安装、限位开关安装、线路连接及打印机外观板的装配。

2.任务分析：3D打印机结构件布局组装和电子元件的连线；

3.知识链接：机械传动，电子控制；

4.任务实施：以小组为单位基于所学知识完成任务，实施步骤如下：

①　3D打印机的框架拼装；

②　3D打印机的Y轴组装；

③　3D打印机X轴组装；

④　3D打印机Z轴组装；

⑤　挤出机安装；

⑥　MK3热床安装；

⑦　热床安装；

⑧　限位开关安装；

⑨　线路连接；

⑩　3D打印机外观板的装配。

任务五：3D打印机的打印

1．任务描述：熟练的对3D打印机进行调平测试，掌握3D打印机的打印操作。

2. 任务分析：本次课介绍3D打印机打印前的调平测试以及调平对打印模型的影响，以3D打印机实物结合与其配套的切片软件进行打印操作的讲解。

3. 知识链接：

① 掌握3D打印机的调平测试

② 掌握3D打印机的打印操作

项目成果：组装并且调试3D打印机；

考核方式：演示,答辩。

单元项目三 3D扫描与修复

关联项目：项目四

项目内容：扫描仪的工作原理、三维数据扫描与数模重构

实施方法：指导教学、实验

课内学时：6学时

实践场所：多媒体教室+3D打印实验室

任务一 3D扫描介绍

1.任务描述：掌握三维激光扫描仪的基本原理及工作流程。

2.任务分析：本次课主要介绍逆向工程中三维扫描的概念及三维扫描仪的种类（接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪），三维扫描仪的工作流程、工作原理及其应用领域。

3.知识链接：

① 了解三维扫描及三维扫描仪定义

② 掌握三维激光扫描仪的基本原理

③ 掌握三维激光扫描仪的工作流程。

④ 了解三维扫描仪的应用领域。

4.任务实施：以小组的形式从以下几点进行探讨：

①概念

②工作原理

③应用领域

④代表企业(国内和国外)

任务二：三维数据扫描

1.任务描述：掌握逆向工程数据扫描系统的分类及相应的测量原理，学习使用3D扫描仪并进行头像扫描。

2.任务分析：本次课主要讲解三维数据扫描中数据获取方法的分类，非接触式光学扫描的几种方法及其测量原理；通过讲解演示，使学生掌握正确使用3D扫描仪进行扫描的方法。

3.知识链接：

① 了解逆向工程数据扫描系统的分类及相应的测量原理；

② 掌握接触式测量与非接触式测量的不同技术特点。

③ 掌握扫描仪使用的基本方法

4.任务实施：以小组的形式完成任务：

① 接触式测量的特点；

② 激光扫描测量原理；

③ 非接触式光学扫描特点

项目成果：扫描3D人体头像模型。

考核方式：竞赛，小组答辩。

任务三：三维数模重构

1.任务描述：学习使用逆向软件对扫描数据修复进行三维数模重构。

2.任务分析：通过讲解演示，使学生了解三维数模重构的方法。

3.知识链接：认识Geomagic Studio软件

4.任务实施：

① 数据的处理

② Geomagic Studio软件

项目成果：修复3D人体头像模型

考核方式：竞赛，答辩。

单元项目四 三维模型设计与打印

关联项目：项目二、项目三

项目内容：学生学习三维数据处理软件，打印3D作品；

实施方法：指导教学、实验

课内学时：16学时

实践场所：电脑机房

任务一：学习逆向工程软件(Geomagic Studio)

1.   任务描述：学习了解逆向工程软件功能，可根据实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。

2.   任务分析：学生从点云数据中创建优化的多边形网格、表面或CAD模型。

3.   知识链接：Geomagic Studio数据修复

4.   任务实施：基于所学知识完成任务，实施步骤如下：

①　准确再现设计意图

②　利用三维扫描数据创建参数模型

③　约束曲面拟合使下游编辑最少

④　自动延伸和剪截曲面使模型完善

⑤　获得网格边界的半径以在CAD系统中快速创建倒角

⑥　独特的区域探测算法创建最精确的表面

⑦　交互式重塑物理模型

⑧　自动探测并纠正网格错误

⑨　生成更好的曲面

⑩　快速填充复杂的孔

任务二：学习三维设计软件

1.任务描述： 通过三维设计软件设计三维数据模型后,操作3D打印机实施出设计模型.

2.任务分析：设计笔筒、花瓶、耳机收纳盒

3.知识链接：三维软件应用

    4.任务实施：基于所学知识完成任务，实施步骤如下：

三维设计软件：

① 可以实现同一视窗内建立多个独立的零件和曲面；

② 可以快速进行三维设计，可以自定义动画功能，输出AVI格式动画视频；

③ 在同一设计环境下实现零件与装配之间的关联关系，修改三维CAD数据后可以进行二维图纸的自动修改数据；

④ 具有识别图片生成浮雕效果的功能，具有边学边用的功能；

3D打印机的操作

① 3D打印机切片软件的使用；

② 打印模型的设置；

③ 3D打印机操作步骤；

④ 3D打印机使用过程注意事项；

项目成果：根据三维设计软件的应用，独立设计出三维数据模型，并且操作3D打印机打印模型并装配出来实物。

考核方式： 模型设计、答辩、竞赛

    单元项目五 Form打印机

关联项目：项目一、项目二

项目内容：打印机操作步骤及注意事项；切片软件的操作。

实施方法：讲授、案例

课内学时：8学时

    实践场所：多媒体教室+3D打印实验室

任务：学习Form打印机的操作步骤，切片软件的操作。

1.任务描述： Form打印机的使用

2.任务分析：本次课主要讲解Form打印机的构成，Form打印机切片软件Preform的操作，Form打印机的打印及其打印模型的后期处理。

3.知识链接：

① Form打印机的结构及工作原理；           

② 切片软件的使用技巧；

③ 案例艺术品的后期处理。

4.任务实施：

以组为单位基于所学知识完成Form打印机的操作及项目案例的后期处理。

项目成果： Form打印机的使用

考核方式：演示,答辩。