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
第三章 三维模型设计
第三节 模型切片处理
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.掌握 Cura 软件的安装及相关参数的设定。
2.能使用 Cura 切片软件对三维数字模型进行分层切片。
3.了解切片路径规划及切片文件格式。
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:
掌握 Cura 软件的安装及相关参数的设定。
能使用 Cura 切片软件对三维数字模型进行分层切片。
了解切片路径规划及切片文件格式。
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　第三章 三维模型设计　第三节 模型切片处理。
三维数字模型是三维打印制作立体实物的基础，获取三维数字模型的方式有很多种，其中软件建模是最基础、最常用的，掌握了软件建模的方法，就能随心设计自己的创意模型了。但是三维打印机无法直接识别这个模型，还需要对三维数字模型进行切片，即将模型分成一层一层的截面，才能指导打印机进行逐层打印。可见三维数字模型的切片设置对打印十分重要，不仅关系到成型质量的好坏和打印效率的高低，甚至还关系到打印的成败。
本章我们将学习三维数字模型的设计及其切片处理，为自己动手制作三维产品打下基础、做足准备。
一、认识切片软件
有了三维数字模型，我们还需要把三维数字模型用切片软件切成一层层的薄片，设置好参数（层高、打印速度、填充密度等）并生成GCODE格式的文件，这样三维打印机才能识别并使用。合理设置切片参数，不仅能提高打印的成功率，还能提高打印的效率和成型的质量。
切片软件有很多，常用的有Simplify3D、3D Slicer、Cura等。有些建模软件自带切片功能，可以输出GCODE格式的文件，如UG、SolidWorks等。
下面我们以Cura软件为例，向大家介绍切片软件的使用方法。
安装软件，选择可识别的模型文件格式和三维打印机型号。
安装完毕后打开软件进入切片参数设置界面（如图3-35所示）（参见教材P48）。
层高：指每层打印的高度，是决定侧面打印质量的重要参数，最大层高不得超过喷嘴孔径的80%。一般默认参数是0.1 mm，可调范围为0.1～0.3 mm。
外壳厚度：指模型侧面外壁的厚度，一般设置为喷嘴孔径的整数倍。默认参数是1.0 mm，可根据需要调整。
开启回抽：指当喷头打印到物体边缘的时候，回抽一小部分耗材，以防出现拉丝现象，可以提高物体表面的光滑度。
底部/顶部厚度：指模型上面、下面的厚度，一般为层高的整数倍。默认参数为0.6 mm，可根据模型需要调整。
填充密度：指模型内部的填充密度。默认参数为20%，可调范围为0～100%。0为全部空心，100%为全部实心。
打印速度：指打印时喷头的移动速度，也就是吐丝时的运动速度。默认速度为50.0 mm/s，可调范围为25.0～150.0 mm/s。建议打印复杂模型时使用低速，打印简单模型时使用高速，一般使用30.0 mm/s即可，速度过高容易引起送丝不足的问题。
打印温度：指熔化耗材的温度，不同材料的熔化温度不同，默认为190 °C，PLA材料一般设置为210 °C，ABS塑料一般设置为230 °C或更高。
思考
各切片参数与打印效率和成型质量有什么关系？产品设计要求与切片参数有什么关系？
支撑类型：指打印有悬空部分的模型时可选择的支撑方式，当中有“接触平台支撑”“全部支撑”“无”三个选择，默认为“无”。
选择“接触平台支撑”后，软件默认需要支起来的悬空部分会自动建起支架提供给工作平台。图3-36（参见教材P49）是一个心形的模型，开启“接触平台支撑”功能后，图中所示的红色方形连片区域就会在打印过程中自动生成支撑。
选择“全部支撑”类型后，模型悬空的部分都会创建支撑。图3-37（参见教材P49）中所示的红色方形连片区域就会在打印过程中自动生成支撑。
为了后期处理模型支撑方便，打印有悬空的模型一般选择“接触平台支撑”。
添加了支撑的产品打印成型后如图3-38（参见教材P50）所示，需要进一步去除支撑再稍加打磨。
线材直径：设置线材的直径大小，实际测量后取平均值。实际值与产品标注值相比，一般会偏小一些。设置小一点的直径会让挤出量增多，不易虚丝，但是出丝过多，会导致模型表面变形。
流量：指出丝比例，可以设置挤出量相对于缺省值的百分比，如果打印机已经是校正好的，就不需要调整了。增加出丝比例和减小线材直径的效果一样。
高级设置和专家设置如图3-39（参见教材P50）所示，在这两个对话框中，有更丰富的设置项，在这里可以对打印过程中的细节进行进一步设置。
立即行动
前面我们已经得到了心形水杯的STL文件，在进行三维打印之前，让我们先一起完成模型切片。
1. 用Cura软件将STL文件打开，并对打印参数进行设置（如表3-2所示）。
表3-2 心形水杯模型切片参数设置
参数项 参数值
层高 mm
外壳厚度 mm
开启回抽 是□ 否□
底部/顶部厚度 mm
填充密度 %
打印速度 mm/s
打印温度 °C
2. 点击模型时，右侧窗口的左下角会出现可以设置模型的摆放位置和尺寸大小的按钮（如图3-40所示）（参见教材P51）。
3. 设置完成后，保存为相应格式的文件，等待软件进行切片（如图3-41所示）（参见教材P51）。
4. 切片完成后，通过界面右上角的按钮可以查看切片的各层数据（如图3-42所示）（参见教材P51）。
思考
经过切片的模型在Cura软件中可以根据层数观察每层的切片效果，你认为这些不同颜色的区域代表着什么？根据三维打印技术的特点，分析心形水杯切片是否需要添加支撑。
二、切片分层与文件格式转换
当模型切片完成后，我们可以查看切片各层的视图，如图3-43（参见教材P52）是心形水杯底层的视图。
其中，红色部分代表模型外壳的表面，绿色部分代表外壳的内部，这两部分一同组成模型的外壳。黄色部分是需要填充材料的实体部分。
除了红色、绿色、黄色部分，各层视图中还有蓝色的线条，这个线条表示的是什么呢？
当打印喷头完成一侧的打印后，将暂停挤出材料，移动到另外一侧继续打印。在层视图中，打印喷头暂停打印并变换打印位置的路径，就是用蓝色线条表示的。喷头打印路径若与红色、黄色、绿色区域重合，则不作显示。路径规划（如图3-44所示）（参见教材P52）并不需要用户自己设置，而是软件根据算法自动计算出来的，所以Cura软件中并没有这方面的参数设置选项，我们仅可以在切片完成后的分层模式下观察到喷头的路径规划。
观察图3-45（参见教材P52），在打印水杯把手时，因为把手圆环和杯身有一段距离，所以打印喷头分别打印了这些部分后，会暂停打印，停止挤出材料，将打印喷头移动到下一个打印位置后，再次开始工作。同理，在打印工作完成后，打印喷头需要复位，此时喷头停止挤出材料，然后移动到待机位置。
三维数字模型经过切片处理后，就被赋予了打印参数，文件格式也转换为GCODE，三维打印机就可以根据设定的参数进行打印制作了。
思考
打印效率或打印质量跟路径规划有关吗？
知识窗
如果使用文档软件打开GCODE文件，可以看到许多功能代码和坐标代码，实际上GCODE文件就是涵盖了切片模型每一层打印方式（包括喷头工作方式、喷头移动路径）的代码指令的文件。对于Cura等简易切片软件，不具有让用户自行设定切片路径规划的功能，但用户可以编辑修改切片后生成的GCODE文件，实现自行规划打印路径。
不同的三维打印机可识别的文件格式可能不同，常用的格式有GCODE和X3G，其中GCODE是较为通用的切片文件格式。X3G是Makerbot系列三维打印机使用的格式，用作脱机打印，可以用Makerware软件生成，其参数设置方法如下：
1. 打开Makerware软件，选择ADD FILE导入STL或OBJ模型。
2. PRINT SETTINGS设置打印参数。
（1）在Quality菜单中设置打印质量：填充率可调范围为0～100%，0为空心，100%为实心；层厚一般设置为0.1～0.2 mm；外壳厚度一般设置为2 mm。
（2）在Temperature菜单中设置打印温度：打印喷头温度一般设置在190～230 °C，热床温度一般设置为60 °C。
（3）在Speed菜单中设置打印速度：一般设置为20～30 mm/s。
3. 选择EXPORT PRINT FILE开始切片，切片完成后导出X3G格式文件。
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
理解STL文件的特点，知道三维数字模型的主要获取方式及其特点，能根据产品需求选择合适的获取途径
掌握建模的思路，能对模型结构进行分析
熟悉Autodesk 123D Design软件的各项功能，能构建简单的模型并能对其进行优化、渲染
了解将三维数字模型转换成二维机械加工图的方法
了解三维数字模型的测试方法及其意义
理解主要切片参数和路径规划的意义，能使用切片软件对三维数字模型进行切片
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. 使用Cura对三维数字模型进行切片后，软件会根据模型和切片参数计算出打印所需的时间。以熔融沉积成型三维打印机为例，你认为，为了节省产品制作的时间，提高打印速度，可能会对成型质量造成什么影响？改变层高，又可能会有什么影响？
2. 打印一个如图所示的滑板，模型放置的方向会影响打印速度和打印质量吗？为什么？
板书设计
第三章 三维模型设计
第三节 模型切片处理
一、认识切片软件
二、切片分层与文件格式转换
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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