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《通用技术》选择性必修11：产品三维设计与制造
第二章 三维产品技术分析
第一节 三维打印的技术类型
教学设计
教学背景
三维打印是近年来受到人们广泛关注的一项高新技术，被誉为开启新工业革命的钥匙，它的发明实现了人类的生产制造模式从等材、减材到增材的重大转变。由于其独特的优势，三维打印技术经历了30多年的发展仍方兴未艾，新技术、新材料、新应用仍源源不断问世，而且被广泛应用于工业制造、航空航天、医疗教育、艺术设计等领域，这一切都展示了三维打印技术强大的生命力和难以估量的发展前景。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解常见的三维打印技术。
2.了解不同三维打印成型工艺的特点。
教学内容分析:
教材分四章：三维打印原理、三维产品技术分析、三维模型设计和三维打印技术应用。由浅入深，带领同学们了解三维打印技术的产生和发展历程，了解三维打印的基本原理、设备的结构和操作方法；熟悉不同材料和成型工艺的特点，能结合产品设计要求制订合适的产品制作方案；学习三维建模，掌握三维模型设计的基本思路和方法；通过实践操作教学，设计和制作出哨子、台灯等立体模型。
学情分析:
学生对三维打印的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关三维打印的知识。
教材注重发展同学们的核心素养。通过了解三维打印的原理及其应用，感悟三维打印技术对人们生产、生活的影响。选取能突出反映三维打印特点的案例，通过对不同工艺的对比，让同学们深刻体会三维打印技术和传统制造技术的区别，帮助同学们树立技术意识。所选案例贴近日常生活，方便同学们学以致用，在制订方案的过程中，引导同学们从实际出发，具体问题具体分析，通过对比、权衡和优化得到最佳方案，以此培养工程思维。在实践操作教学中，帮助同学们较全面地掌握三维打印的设计技巧和制作方法，引导同学们思考与探究，从而提高实践能力和创新能力。
教学重难点:
了解常见的三维打印技术。
了解不同三维打印成型工艺的特点。
教学策略:
在教学过程中，注重对同学们科学态度、价值观的引导和培养。本书设计的案例、实践活动、思考、讨论等栏目充分融合了科技与人文理念，如为体育老师制作哨子、为母亲制作杯子、三维打印是否可取代传统制造业、三维打印文物仿品可否代替真品进行展览、三维打印器官的伦理思考等，引导同学们从社会、科技、人文等方面进行考虑，从而发展综合素养。
运用三维打印技术，不用依赖机床和车间，也不用削、钻、铸等手段，只要借助一台计算机和一台三维打印机，我们就能变成产品的设计者、制造者。让我们一起走进三维打印的世界，领略它的神奇与不凡；让三维打印技术成为我们的好帮手，助我们实现脑海中奇妙的构想吧。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修11：产品三维设计与制造　第二章 三维产品技术分析　第一节 三维打印的技术类型。
通过第一章的学习，同学们了解了三维打印的发展历史、概念原理及打印机的结构和操作方法。
实际上，由于打印材料的不同或材料叠加方式的多样，三维打印技术有很多种，人们根据不同的技术研发出了不同类型的打印机，这些打印机有的打印得快速，有的打印得精细，有的能打印金属，各有千秋。因此在开始打印操作之前，我们应该对三维打印的工艺和材料有全面的了解，掌握其特点。
在实际应用中，我们还应该从产品需求出发，根据不同工艺和材料的特点做出合理的技术分析，制订合适的三维打印制造方案。
一、光固化立体成型
光固化立体成型技术(stereo　Lithography　Apparatus，SLA）是最早问世的三维打印技术，也是当今应用最为广泛的三维打印技术之一，使用的材料主要为液态光敏树脂。光固化立体成型三维打印机工作时，要有一个盛有液态材料的液体槽，通过工作平台上方的紫外光光源发射一定波长的紫外光（波长250～300 nm），材料在紫外光的照射下发生聚合反应从而在工作平台上固化。随后，工作平台垂直移动一个层面的高度，形成新的固化工作液面，再次光照固化。如此循环反复，直至产品完全成型（如图2-1所示）（参见教材P16）。
这样的成型方式每层厚度可控制在0.05～0.15 mm，精度较高，产品的表面平滑整齐（如图2-2所示）（参见教材P16）。但因为打印材料局限于含有光引发剂的液态材料，所以光固化立体成型技术使用的打印材料较为有限。
知识窗
激光选区烧结
激光选区烧结技术和光固化立体成型技术非常相似，但它是在粉末床中完成的。选择性激光烧结三维打印机工作时，先在工作台中铺上一层粉末，将材料预热至接近其熔点，通过激光光斑烧结特定的区域，使粉末熔化黏结，随后工作平台降低高度再铺上新的工作粉末层，按此程序循环直至物体成型（如图2-3所示）（参见教材P17）。激光选区烧结具有适用材料种类广泛的优点，如尼龙、蜡、树脂、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。尤其是三维打印的金属产品，常常会选用这种工艺进行制作（如图2-4所示）（参见教材P17）。
二、熔融沉积成型
熔融沉积成型技术也是当前应用最广泛的三维打印技术之一，许多桌面级的三维打印机都是基于这种成型工艺。熔融沉积成型三维打印机工作时，材料通过送丝机送进打印喷头，并在打印喷头内被加热熔化。打印喷头按计算机设计的路径沿产品截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出到指定位置并使其冷却凝固，依此逐层堆叠最终成型（如图2-5所示）（参见教材P18）。
这项技术的优点很突出：材料利用率高，可配备多个喷头以打印多种材料，可实现多色成型。但缺点也比较明显：机械强度不高、不耐高温、表面质量差，容易出现“台阶效应”（如图2-6所示）（参见教材P18），较难形成精密复杂的部件。因此，该工艺适用于产品的概念建模、形状和功能测试，不适合制造大型零件，对精度要求高的产品一般较少使用熔融沉积成型技术。
知识窗
“台阶效应”是影响成型精度和表面质量的主要因素之一。分层打印时，每一层虽然很薄，但在一定的微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形的，那么就会造成精度上的偏差（如图2-7所示）（参见教材P18）。
“台阶效应”会造成零件形状的变形：表面体积缺损或表面体积增加。
三维打印技术种类很多，目前已经在最初的光固化立体成型技术的基础上衍生出了几十种打印工艺，每种工艺的基本原理都大致相同，但是把原材料堆叠、固化的方式各有不同。
立即行动
请查阅资料，了解目前常用的三维打印技术还有哪些，各有什么特点。
表2-1 不同三维打印技术的特点
成型工艺 特点
数字光处理技术（DLP）
激光选区熔化（SLM）
三维喷涂黏结成型（3DP）
课后作业
习 题
1．2015年，数栋使用三维打印技术建造的建筑亮相苏州工业园区。负责人介绍：建筑三维打印机利用矿山尾矿和处理后的建筑垃圾制成的混凝土为原料，用机械吊臂控制喷头运动，将墙壁快速地“垒”起来。相比传统建筑技术，可节约建筑材料30%～60%，工期缩短50%～70%，节约人工50%～80%。
针对以上材料，你觉得建筑三维打印技术的制造工艺是怎么样的？
2．光固化立体成型技术是最早发明的三维打印技术，请观察下图中的两台光固化三维打印机，左图为1.85 m高的工业级打印机，右图为0.5 m高的桌面级打印机。
为什么这两台打印机配有带颜色的罩子，其作用是什么？
右图的桌面级光固化三维打印机，工作平台是位于产品上方的，那么这台打印机的工作原理是怎么样的？为什么会设计成这样的结构？
板书设计
第二章 三维产品技术分析
第一节 三维打印的技术类型
一、光固化立体成型
二、熔融沉积成型
通用技术
选择性必修11：产品三维设计与制造
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主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：黄文华 欧阳汉斌
本册副主编：李鉴轶 关颖健
编 写 人 员：利时雨 戴振宁 李永欣 谢普生
广东教育出版社
广东科技出版社

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