《3D打印材料》課程教學(xué)大綱一、課程名稱（中英文）中文名稱：3D打印材料英文名稱：Materialsfor3DPrintingTechnologies二、課程編碼及性質(zhì)課程編碼：課程性質(zhì)：專業(yè)選修課三、學(xué)時與學(xué)分總學(xué)時：24學(xué)分：1.5四、先修課程高分子材料基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能、材料物理性能五、授課對象本課程面向功能材料專業(yè)學(xué)生開設(shè)，也可以供材料科學(xué)與工程專業(yè)、材料成型及控制工程和電子封裝技術(shù)專業(yè)學(xué)生選修。六、課程教學(xué)目的（對學(xué)生知識、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的貢獻和作用）本課程是本專業(yè)的專業(yè)選修課程之一，其教學(xué)目的主要包括：系統(tǒng)全面的掌握掌握各種3D打印工藝的工作原理及其材料特點和應(yīng)用領(lǐng)域等，培養(yǎng)學(xué)生通過分析需求來選擇3D打印具體材料，采用合適的工藝路線來實現(xiàn)各種材料零件3D打印制作的能力；需要通過學(xué)習(xí)掌握3D打印技術(shù)原理及其材料制備與性能特點，培養(yǎng)學(xué)生在此領(lǐng)域進行創(chuàng)新性研究的初步能力；本課程實踐性較強，需要結(jié)合學(xué)生的課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生對3D打印工藝與材料的認(rèn)識能力；了解3D打印技術(shù)及其材料的發(fā)展趨勢及其前沿技術(shù)，具備主導(dǎo)或者參與研發(fā)新型3D打印材料的基礎(chǔ)和能力。。表1課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求及其指標(biāo)點本課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求1：工程知識能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復(fù)雜工程問題。1.1掌握了用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識。1.2掌握了用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題的物理、化學(xué)等自然科學(xué)基礎(chǔ)知識。1.3掌握了用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題的工程力學(xué)基礎(chǔ)知識。1.4掌握了用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題的工程檢測與控制基礎(chǔ)知識。1.5系統(tǒng)掌握了專業(yè)知識，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題。課程目標(biāo)1、2畢業(yè)要求2：問題分析能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。2.1能夠應(yīng)用工程數(shù)學(xué)基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。如：復(fù)雜的模具設(shè)計。2.2能夠應(yīng)用物理、化學(xué)基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，獲得有效結(jié)論。如：物理綜合實驗。2.3能夠應(yīng)用力學(xué)基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，獲得有效結(jié)論。如：工程力學(xué)綜合實驗。2.4能夠應(yīng)用工程科學(xué)基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，獲得有效結(jié)論。如：工程控制實驗中的建模與分析。課程目標(biāo)1畢業(yè)要求3：設(shè)計/開發(fā)解決方案能夠設(shè)計針對復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮法律、健康、安全、文化、社會以及環(huán)境等因素。3.1了解機械工程、材料成型及控制工程問題特征，掌握解決復(fù)雜工程問題的設(shè)計方法。3.2在考慮法律、健康、安全、文化、社會以及環(huán)境等制約因素的前提下，能夠設(shè)計（開發(fā)）針對復(fù)雜材料成型及控制工程問題的解決方案，具備設(shè)計（開發(fā)）滿足特定材料成型及控制工程需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程的能力。課程目3、43.3在設(shè)計（開發(fā)）過程中，具有追求材料成型及控制工程復(fù)雜問題創(chuàng)新解決的態(tài)度和意識，掌握了基本的創(chuàng)新方法，清楚創(chuàng)新方向及領(lǐng)域。畢業(yè)要求4：研究能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。4.1掌握材料熱加工成形原理及特點，能夠采用科學(xué)方法，具備合理設(shè)計材料成型及控制工程（模具）復(fù)雜實驗、開展科學(xué)研究的能力。4.2掌握材料成型及控制工程原理及主要工藝，能夠采用科學(xué)方法，正確構(gòu)建并實施材料成型及控制工程綜合實驗，得出正確結(jié)果的能力。4.3能正確使用和處理實驗數(shù)據(jù)，通過信息綜合處理，具備對復(fù)雜的材料成型及控制工程實驗結(jié)果進行正確分析能力。課程目標(biāo)3、課程目標(biāo)44.4了解常見的材料成型及控制工程常用設(shè)備、實驗儀器及實驗方法，具備調(diào)控設(shè)備及儀器參數(shù)，進行測控和維護的能力。畢業(yè)要求5：使用現(xiàn)代工具能夠針對復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。5.1掌握文獻檢索、資料查詢、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)搜索工具的使用方法。5.2了解材料成型及控制工程專業(yè)重要資料來源及獲取方法。5.3具備應(yīng)用各類文獻、信息及資料進行復(fù)雜材料成型及控制工程實踐的能力。5.4掌握復(fù)雜材料成型及控制工程問題的預(yù)測與模擬方法，理解其局限性。畢業(yè)要求6：工程與社會能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復(fù)雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。6.1了解與工程相關(guān)的國家方針、政策與法律法規(guī)，能夠評價工程實踐對社會、健康、安全、法律以及文化的影響。6.2了解材料成型及控制工程專業(yè)特點及其對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，能夠正確評價復(fù)雜成型及控制工程問題解決方案的優(yōu)劣。6.3能正確認(rèn)識材料成型及控制工程各種復(fù)雜工藝對于客觀世界和社會的影響，理解并能夠承擔(dān)的相應(yīng)工程和社會責(zé)任。課程目標(biāo)4畢業(yè)要求7：環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展能夠理解和評價針對復(fù)雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。7.1了解材料成型及控制工程的專業(yè)特征、學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢，正確認(rèn)識本專業(yè)對于社會發(fā)展的重要性。7.2能正確理解和評價材料成型及控制工程復(fù)雜問題實施對環(huán)境保護及社會可持續(xù)發(fā)展等的影響。7.3在解決復(fù)雜的材料成型及控制工程的實際問題中，能夠正確理解并考慮工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。畢業(yè)要求8：職業(yè)規(guī)范具有人文社會科學(xué)素養(yǎng)、社會責(zé)任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責(zé)任。8.1具有人文社會科學(xué)素養(yǎng)，理解世界觀、人生觀的基本意義及其影響。8.2了解中國國情，理解中國可持續(xù)科學(xué)發(fā)展道路以及個人的做人規(guī)范，具有較高的社會責(zé)任感。8.3在工程實踐中，理解工程師的職業(yè)性質(zhì)、職業(yè)責(zé)任,具備工程師的職業(yè)道德8.4具有健康的體質(zhì)和良好的心理素質(zhì)，能較好地履行責(zé)任。畢業(yè)要求9：個人和團隊能夠在多學(xué)科背景下的團隊中承擔(dān)個體、團隊成員以及負(fù)責(zé)人的角色。9.1具備較寬廣的本學(xué)科基礎(chǔ)知識和較高的個人素質(zhì)，能夠在多學(xué)科背景下，承擔(dān)個人及團隊成員的作用。9.2具備良好的團隊協(xié)作精神，善于和團隊其它成員協(xié)作、互補、交往。9.3能夠承擔(dān)團隊負(fù)責(zé)人角色，具備綜合團隊成員意見和建議，進行合理決策之領(lǐng)導(dǎo)能力。畢業(yè)要求10：溝通能夠就復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應(yīng)指令。并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。10.1較好地掌握了一門外語，了解不同文化的差異，具有一定的跨文化交流能力。10.2了解本專業(yè)領(lǐng)域及其相關(guān)行業(yè)的國內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀，具有較強的業(yè)務(wù)溝通能力與競爭能力。10.3能夠應(yīng)用現(xiàn)代工具撰寫報告、設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應(yīng)指令，就復(fù)雜的專業(yè)工程問題進行有效溝通和交流。畢業(yè)要求11：項目管理理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟決策方法，并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用。11.1了解機械及材料工程管理和經(jīng)濟決策的基本知識，理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟決策方法。11.2具備應(yīng)用工程管理和經(jīng)濟決策知識實踐的工作能力，具有一定的組織、管理及領(lǐng)導(dǎo)能力，能夠較好地通過口頭或書面方式表達自己的想法。11.3具有較強的綜合歸納能力，能在多學(xué)科環(huán)境中加于應(yīng)用。畢業(yè)要求12：終身學(xué)習(xí)具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。12.1對終身學(xué)習(xí)的重要性，有自覺的意識和正確的認(rèn)識。12.2能夠采用合適的方法，自我學(xué)習(xí)、提高的能力。12.3能夠適應(yīng)社會進步與發(fā)展，與時代同步。七、教學(xué)重點與難點：教學(xué)重點：1）當(dāng)前3D打印技術(shù)的實現(xiàn)工藝比較多，每種工藝對應(yīng)的材料各不相同，本課程以介紹3D打印技術(shù)材料為主體，以講述各種3D打印工藝材料的制備和成形件性能為重點；2）在全面掌握各種3D打印技術(shù)工藝特點及其材料特性的基礎(chǔ)上，重點學(xué)習(xí)幾種主流3D打印技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)/熔化、光固化以及熔融沉積制造等的特點、所用材料的性能以及應(yīng)用范圍和應(yīng)用方式；3）課程將主要介紹成熟度高、應(yīng)用較為廣泛的幾種主流3D打印技術(shù)材料及成形工藝特點，以及目前比較前沿、發(fā)展前景大的3D打印新工藝、新材料；4）重點學(xué)習(xí)的章節(jié)內(nèi)容包括：第1章“3D打印高分子及其復(fù)合粉末材料”，第2章“3D打印光敏樹脂材料”，第3章“3D打印金屬材料”。教學(xué)難點：1)通過本課程學(xué)習(xí)，需要掌握各種3D打印工藝的工作原理及其材料特點和應(yīng)用領(lǐng)域等，培養(yǎng)學(xué)生通過分析需求來選擇3D打印具體材料，采用合適的工藝路線來實現(xiàn)各種材料零件3D打印制作的能力。2）3D打印技術(shù)涉及材料、控制、激光以及計算機多個領(lǐng)域，需要通過學(xué)習(xí)掌握3D打印技術(shù)原理及其材料制備與性能特點，在此領(lǐng)域進行創(chuàng)新性研究的初步能力。3）本課程實踐性較強，需要結(jié)合學(xué)生的課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生對3D打印工藝與材料的認(rèn)識能力，提高授課質(zhì)量與效果。八、教學(xué)方法與手段：教學(xué)方法：1）采用現(xiàn)代化教學(xué)方法（含PPT演示，設(shè)備照片，影像資料等），講授各類3D打印材料的制備、成形工藝、微觀結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用特點，以提高教學(xué)效果及效率；2）采用課堂教學(xué)與學(xué)生PPT匯報、交流討論等方式，進行課堂互動，吸引學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。教學(xué)手段：1）針對3D打印材料的制備、成形工藝、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系規(guī)律進行講解。以主流的大類3D打印技術(shù)材料為主線，深入分析其共性特點，使學(xué)生初步具備根據(jù)特定零件性能要求制定3D打印材料制備與成形方案的能力；2）借助影像或者圖片方式做好課堂教學(xué)前的3D打印材料的展示教學(xué)；再結(jié)合必要的實驗教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對3D打印材料成形工藝、微觀結(jié)構(gòu)、和性能之間關(guān)系的理解與掌握，提高授課質(zhì)量與效果；3）采用小組方式，要求學(xué)生根據(jù)自己的興趣方向，自由組成若干小組，針對典型零件選擇合適3D打印材料及工藝進行介紹，并能用PPT展示匯報，全體學(xué)生進行討論交流，提高課堂互動頻率與水平。九、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排（1）總體安排教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時的總體安排，如表2所示。表2基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排序號課程內(nèi)容課堂（學(xué)習(xí)、討論）學(xué)時課外（準(zhǔn)備、復(fù)試、實踐）學(xué)時13D打印高分子及其復(fù)合粉末材料6623D打印光敏樹脂材料4433D打印絲狀高分子及其復(fù)合材料4443D打印金屬材料6653D打印陶瓷材料及其成型技術(shù)44（2）具體內(nèi)容第1章3D打印高分子及其復(fù)合粉末材料 。2.1激光選區(qū)燒結(jié)成形高分子及其復(fù)合粉末材料 。2.1.1SLS高分子及其復(fù)合粉末材料概述 。2.1.2高分子及其復(fù)合粉末材料的SLS成形機理 。2.1.3高分子及其復(fù)合粉末材料特性對其SLS成形的影響 。2.1.4高分子及其復(fù)合粉末材料的制備，組成及表征 。2.2尼龍(PA)及其復(fù)合粉末材料 。2.2.1尼龍12粉末材料及其SLS成形 。2.2.2尼龍12/累托石復(fù)合粉末材料 。2.2.3尼龍12/納米二氧化硅復(fù)合粉末材料 。2.2.4尼龍12/鋁復(fù)合粉末材料 。2.2.5尼龍/Cu復(fù)合粉末材料 。2.2.6尼龍12鈦酸鉀晶須復(fù)合粉末材料 。2.2.7尼龍12/碳纖維復(fù)合粉末材料 。2.3聚苯乙烯(PS)及其復(fù)合粉末材料 。2.3.1PS粉末材料 。2.3.2苯乙烯-丙烯晴共聚物粉末材料 。2.3.3高抗沖聚苯乙烯粉末材料 。2.4聚碳酸酯(PC)及其復(fù)合粉末材料 。2.4.1聚碳酸酯粉末材料 。2.4.2聚碳酸酯的SLS成形 。2.4.3后處理工藝對PC燒結(jié)件性能的影響 。2.5ABS粉末材料 。2.5.1ABS材料的基本性能 。2.5.2燒結(jié)參數(shù)的優(yōu)化 。2.5.3燒結(jié)性能 。2.5.4燒結(jié)件實例 。第2章3D打印光敏樹脂材料 。3.1SLA成形光敏樹脂概述 。3.1.1光固化成形材料 。3.1.2光固化反應(yīng)機理 。3.1.3光敏樹脂和紫外光源的特性參數(shù) 。3.1.4光敏樹脂材料特性及其SLA成形性 。3.2光固化實體材料中的齊聚物 。3.2.1聚丙二醇二縮水甘油醚二丙烯酸酯的合成與性能 。3.2.2低粘度氨基甲酸酯丙烯酸酯的合成與性能 。3.3光固化實體材料的研究 。3.3.1陽離子光固化體系中芐醇促進劑的研究 。3.3.2碘鎓鹽及其光敏引發(fā)劑的研究 。3.3.3氧雜環(huán)丁烷光固化動力學(xué)研究 。3.3.4陽離子體系實體材料的配制與性能研究 。3.3.5混雜體系實體材料的配制與性能研究 。3.3.6自由基體系實體材料的配制與性能研究 。3.4光固化支撐材料的齊聚物 。3.4.1水性聚氨酯丙烯酸酯的合成與性能 。3.4.2聚乙二醇二丙烯酸酯的合成與性能 。3.4.3齊聚物配制支撐材料的研究 。3.5改性光固化成形材料 。3.5.1納米SiO2改性光固化成形材料 。3.5.2環(huán)氧丙烯酸酯增韌光敏樹脂材料 。3.5.3一種新型脂環(huán)環(huán)氧丙烯酸酯的合成與應(yīng)用 。第3章3D打印絲狀高分子及其復(fù)合材料 。4.1熔融沉積成型的高分子及其絲狀復(fù)合材料 。4.1.1FDM成形原理 。4.1.2FDM成型過程及對材料性能的要求 。4.1.3FDM用絲狀高分子及其復(fù)合材料 。4.2熔融沉積成型中的支撐材料 。4.2.1FDM支撐材料概述 。4.2.2剝離性支撐材料 。4.2.3水溶性支撐材料 。4.2.4熔融沉積成型實驗 。4.3FDM用ABS絲狀材料 。4.3.1ABS樹脂簡介 。4.3.2ABS756的實驗應(yīng)用與分析 。4.3.3ABS中橡膠含量的影響 。4.3.4絲狀復(fù)合材料的制備及成型性研究 。第4章3D打印金屬材料 。5.1金屬材料的增材制造技術(shù)及其原理 。5.1.1激光選區(qū)熔化技術(shù) 。5.1.2電弧增材制造技術(shù) 。5.1.3激光能量傳遞 。5.1.4金屬對激光能量的吸收 。5.1.5金屬粉末對激光的吸收 。5.1.6激光選區(qū)熔化成形過程溫度、應(yīng)力及應(yīng)變場 。5.1.7熔池動力學(xué)及穩(wěn)定性 。5.2激光選區(qū)熔化用金屬粉材 。5.2.1粉末粒徑對成形性的影響 。5.2.2粉末球形度對成形性的影響 。5.2.3粉末氧含量對成形性的影響 。5.2.4常用的3D打印用金屬及合金材料 。5.3電弧增材制造用金屬絲材 。5.3.1絲材拉拔參數(shù)對成形性的影響 。5.3.2合金元素對成形性的影響 。5.43D打印金屬材料性能及組織特征 。5.4.1激光選區(qū)熔化金屬材料冶金特點 。5.4.2激光選區(qū)熔化成形零件表面粗糙度與尺寸精度 。5.4.3典型金屬材料3D打印組織特征及其機械性能 。參考文獻 。第5章3D打印陶瓷材料的制備及其成型技術(shù) 。6.1陶瓷材料增材制造技術(shù)及成型原理 。6.1.1陶瓷材料增材制造技術(shù)概述 。6.1.2激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）技術(shù) 。6.2激光選區(qū)燒結(jié)用陶瓷粉體及粘接劑 。6.2.1激光選區(qū)燒結(jié)用陶瓷粉體 。6.2.2激光選區(qū)燒結(jié)用粘接劑 。6.3激光選區(qū)燒結(jié)用復(fù)合陶瓷粉體的制備方法 。6.3.1機械混合法 。6.3.2溶劑蒸發(fā)法 。6.3.3溶解沉淀法 。6.4陶瓷激光選區(qū)燒結(jié)成型工藝 。6.4.1激光選區(qū)燒結(jié)制備陶瓷素坯機理及工藝 。6.4.2激光選區(qū)燒結(jié)成型陶瓷素坯的微觀組織及性能 。6.5激光選區(qū)燒結(jié)/冷等靜壓復(fù)合成型致密陶瓷 。6.5.1激光選區(qū)燒結(jié)/冷等靜壓復(fù)合工藝成型致密陶瓷素坯 。6.5.2高溫?zé)Y(jié)SLS/CIP成型陶瓷素坯的致密化機理 。6.5.3高溫?zé)Y(jié)SLS/CIP復(fù)合成型陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與性能 。6.6激光選區(qū)燒結(jié)成型多孔陶瓷 。HYPER