资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《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
第三节 三维打印的制造方案
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.能结合三维打印的成型工艺特点，对设计的产品进行技术分析。
2.能根据产品要求制订合适的制造方案。
3.学会通过对比、权衡、优化，确定最佳的制造方案。
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:
能结合三维打印的成型工艺特点，对设计的产品进行技术分析。
能根据产品要求制订合适的制造方案。
学会通过对比、权衡、优化，确定最佳的制造方案。
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　第三节 三维打印的制造方案。
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。
一成型工艺的选择
三维打印的成型工艺和材料多种多样且各有特点，当应用三维打印技术来设计和制造立体实物时，我们肯定不希望得到的产品存在瑕疵甚至无法使用，也不希望大材小用浪费资源。
要在一定的条件下获得满意的产品，就需要我们在打印前精心设计出合理的制造方案。
案例
我国的铁路网络非常发达，部分列车要行驶数千公里跨越数十个城市才到达终点站，这么长距离的行驶对火车零件的性能要求非常高，零件需要具备较高的强度、韧性、耐磨性，并能承受冲击振动。
连接火车车轮与传动连杆的销轴，曾经是通过调质处理工艺进行加工的，这种工艺提高了销轴的韧性，但降低了硬度。销轴在火车长距离的行驶中会造成剧烈磨损，容易导致零件间隙增大而配合失效，甚至可能引发销轴断裂的安全事故。
后来，经过专家的讨论分析，针对零件的用途和工作环境，换了另一种工艺进行处理——通过表面淬火处理来强化销轴表面的硬度，同时保持了销轴芯部的韧性。这样一来，经过表面淬火处理的销轴在行驶中的磨损大大减少。
思考
上述案例给了我们什么启示？在制订三维打印的制造方案时，我们应当遵循什么样的原则？
讨论
如果在资金充足的条件下，普通用途的产品选用具有高强度的钛合金材料进行三维打印制造，是否可取？
不同工艺的三维打印技术，其制造时间、制造成本、难易程度大相径庭，不同的产品又有不同的使用要求，那么怎样制订三维打印的制造方案才是最合理的呢？一般地，我们可以从三维打印的成型工艺和产品的设计要求这两个方面来考虑，当两者相符了，才可能制造出符合预期的产品（如图2-14所示）（参见教材P25）。
三维打印技术有多种成型工艺，每种成型工艺又对应不同的三维打印机类型，不同成型工艺的三维打印机，其设备成本、运行成本、适用范围和使用的材料都是有区别的（如表2-2所示）。
表2-2 成型工艺的特点对比
三维打印技术 设备成本 运行成本 适用范围 所用原料
光固化立体成型 较高 材料利用率较高，设备运行成本高 制作结构复杂、高精度的产品 光敏树脂
熔融沉积成型 较低 材料利用率高，设备运行成本低 制作结构简单、低精度的产品 热塑性材料，如PLA、聚丙烯等
激光选区烧结 昂贵 材料利用率高，设备运行成本居中 制作铸造用模具、功能部件等 金属粉末、陶瓷粉末、尼龙粉末、蜡等
不同的成型工艺对应不同的打印材料，一种打印机还可能适用于多种材料。因此我们应该根据产品的用途、材质要求、材料成本选择适合的打印材料（如表2-3所示）。
表2-3 三维打印材料的特性对比
三维打印材料 材料成本 材料特性
PLA 较低 生物可降解材料，光泽性好，有多种颜色可选用
光敏树脂 中等 半透明状材料，防水、低气味、低刺激成分
钛合金粉末 较高 强度高、耐腐蚀，生物相容性好
尼龙粉末 中等 密度小，耐磨损，抗拉伸强度高
综上所述，对于三维打印成型工艺的选择，需要从成型精度、打印速度、材料特性、制作成本等多方面综合考虑，做到资源的合理配置和使用。
二、产品的设计要求
产品的设计要求也是在制订方案时需要着重考虑的。
三维打印是以三维数字模型为模板进行制作的，如何更便捷地获得高质量的三维数字模型，直接关系到制造的难易程度和效率（如表2-4所示）。
表2-4 模型获取方式对比
获取方式 案例 关键工具 优点 缺点
网络下载 制作一个玩具机器人模型，对细节没有特殊要求 网络模型库 检索简单，下载快速、便捷 可能无法找到理想的模型，模型下载可能需要付费
三维扫描 对破损的文物雕像进行三维重建 三维扫描仪 较快速、准确地复制模型 细节呈现可能存在偏差、对空心和孔洞结构难以重建
软件建模 制作一个新型的复杂零件 三维建模软件 准确体现设计思想、精确把握细节 耗时长
在三维打印过程中，三维数字模型摆放位置的改变，也会影响打印的效率和成型的效果。如图2-15（参见教材P26），该圆筒模型如果直立摆放，打印需要3 h左右，而将该模型水平摆放，打印耗时则可降至1 h左右。通常来说，打印机喷头在水平面移动的速度较快，工作平台在垂直方向的移动速度较慢。我们在摆放三维数字模型时可选择切片层数较少的摆放方式， 以减少打印制作的时间。
但我们可以注意到，虽然水平摆放的圆筒模型打印时间缩短了，但是圆筒内部添加了一些柱状的支撑结构，以防止模型的悬空部分塌陷变形。这些支撑结构在打印结束后是需要手工去除的。
讨论
去除支撑结构时可能会有支撑残留造成表面粗糙，还有可能破坏产品主体。进行三维打印制作时，你认为减少打印时间和减少支撑结构，哪个更加重要？
此外，不是所有三维数字模型都能够成功制作出实物的。图2-16（参见教材P27）是一个悖论图形，即仅存在于二维图形，在三维空间中是不可能存在的形状，此图的三维效果实际上是一种视觉错觉（如图2-17所示）（参见教材P27）。
除了设计本身外，还有一些原因会导致打印制作失败。例如：模型文件本身存在错误、模型尺寸与打印机不匹配、模型细节过于精细导致打印机无法表达等。对于这些问题，有一些可以通过更换材料、更换精度更高的打印机来解决，有一些则需要对三维数字模型做调整。
综上所述，制订三维打印制造方案，需要从产品用途、成本、材料、工艺、三维模型获取方式等多个方面进行综合考虑。只有明确产品需求，选择合适的材料和工艺，才能打印制作出理想的产品。
三、设计你的三维打印制造方案
案例
钛合金材料因其密度小、强度高的特点，而被广泛应用于航空航天领域。但是汽车产品则较少会考虑使用这种材料，因为钛合金昂贵，且能够打印钛合金的三维打印机的价格和维护成本都比较高，比光固化立体成型、熔融沉积成型的打印机还要高出不少。
汽车行业的三维打印，人们倾向于使用ABS塑料和碳纤维材料，这种材料密度小、价格低。图2-18（参见教材P27）中的这台三维打印汽车大部分的零件都是采用ABS塑料及碳纤维打印出来的，这不仅减轻了车身重量，而且减少了零件数量，简化了汽车组装的工序，提高了性能，还大大降低了制造成本，配件也容易制备，可即打即用。
思考
这个案例对于我们制订三维打印制造方案有什么启示？
实践活动
用三维打印技术制作一枚哨子，你会选用什么材料，选用哪种打印机，如何设计其制造方案呢？有名同学已经有了初步的三维打印制造方案（表2-5中的方案一），你觉得他的方案合理吗？请你查阅资料，了解相关知识，设计自己的三维打印制造方案，并与这名同学的制造方案进行比较，完成表2-5。
表2-5 制造方案的设计与选择
项目 方案一 方案二 方案三
数字模型来源 三维扫描获取
选用成型工艺 激光选区烧结
选用原材料 聚乳酸
产品后处理 打磨抛光
产品性能
制作难度
制作时间
制作成本
失败风险
最终方案
选择原因
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
理解光固化立体成型、熔融沉积成型三维打印技术的原理和特点
知道三维打印材料的分类，了解主要三维打印材料的特点
知道不同成型工艺所对应的三维打印材料类型
了解三维数字模型的获取途径
知道在制订三维打印制造方案时，需理解和分析产品的设计要求
能根据产品设计要求和成型工艺要求，制订、比较、权衡、优化三维打印制造方案
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
课后作业
习 题
1. 如果要制作一件产品，选择三维打印技术一定比采用传统工艺制作更高效、节约吗？在什么情况下我们应该选用三维打印？
2. 结合本节内容，尝试梳理三维打印制造方案的设计流程，探讨在设计不同产品的制造方案时应考虑的因素。
板书设计
第二章 三维产品技术分析
第三节 三维打印的制造方案
一、成型工艺的选择
二、产品的设计要求
三、设计你的三维打印制造方案
通用技术
选择性必修11：产品三维设计与制造
普 通 高 中 教 科 书
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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