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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
第一章 三维打印原理
第二节 三维打印技术的基本原理
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.了解熔融沉积成型三维打印机的运行原理、应用领域和所受到的技术限制。
2.掌握正确、安全操作三维打印机的方法。
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:
了解熔融沉积成型三维打印机的运行原理、应用领域和所受到的技术限制。
掌握正确、安全操作三维打印机的方法。
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　第一章 三维打印原理　第二节 三维打印技术的基本原理。
建设制造强国是我国实现高质量发展的重要战略。三维打印技术属于增材制造技术，至今才发展了30多年，却使传统制造业发生了翻天覆地的变化，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，形成了一种全新的制造模式。
等材、减材、增材，同学们对这三个名词可能不是很熟悉。举个例子，打铁匠将一块金属反复敲打、锻造成工具或兵器，这块金属在制造前后体积、质量几乎相等，这属于等材制造；雕刻家把一块巨型岩石反复雕刻打磨，凿出许多碎石，岩石最后成为精美的雕塑，但体积、质量都减少了，这属于减材制造。
什么是增材制造呢？三维打印技术是如何实现增材制造的？它又经历了怎样的发展历程？让我们通过本章的内容，一起来学习吧。
一、概念和原理
三维打印技术是以软件建模、三维扫描等方式获取的三维数字模型为基础，通过软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由三维打印机的数控成型系统利用光照、加热等方式将粉末状、液状或丝状的材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出三维实物的技术，属于增材制造技术。而传统制造是通过削、钻、铣、磨等工艺，把一块原材料雕刻打磨成体积更小的部件，属于减材制造技术。这两者的制作加工方法是截然不同的。
三维打印机的运行过程类似于传统的打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把可黏合材料层层堆积叠加形成三维实体；三维打印机与传统打印机最大的区别在于工作的维度，三维打印机不仅能够在平面上工作（X轴、Y 轴），还可以在立体空间内工作（X 轴、Y 轴、Z 轴），通过将许多薄层不断叠加的方式形成立体产品。
二、特点和优势
传统的产品设计与制造需要经过设计、开模、铸模、组装等工序，往往耗时长、成本高，难以满足顾客的个性化需求。相比之下，三维打印具有多项传统制造工艺无法比拟的优势，例如：
（1）三维扫描仪和三维建模软件可以实现对物体外形的精确复制。
（2）三维建模软件能够快速地完成产品设计，且编辑修改便捷。
（3）三维打印可以制造出传统工艺难以制造的、结构复杂的部件。
（4）一体成型无须组装，某几种材料也可以共同组合打印。
（5）无须模具，制造交付时间短。
（6）原材料利用率高，减少废弃物和副产物的产生。
案例
“浑然一体”的新汽车
福特汽车公司的创始人亨利·福特被誉为“给世界装上轮子的人”，他在1913年建立了世界上第一条汽车生产流水线，将每辆汽车的组装时间由原先的750分钟缩短到90分钟，生产效率大大提高了（如图1-14所示）（参见教材P8）。汽车生产流水线上的装配参数是统一的，一辆汽车通常有20 000～30 000个零件，组装工
复杂。那么如果想要私人定制一款汽车，通常只能靠人工组装，因此造价高昂。
三维打印技术应用到汽车制造行业，则巧妙地解决了定制成本高这一问题。2016年，我国增材制造国家研究院研发出一款电动汽车WLC-1（如图1-15所示）（参见教材P8）。WLC-1的发动机和底盘采用传统工艺和金属材料制造，其他大部分零件都是采用复合材料经三维打印而成，这些零件都可以进行个性化定制。这辆汽车由约100个零部件组成，设计、打印、组装、调试共花费了数十天，而传统汽车仅研发过程就需要3～5年的时间。
讨论
三维打印技术还有哪些优势？它是一种节能降碳的制造技术吗？
三维打印技术的特点和优势非常突出，许多传统的制造工艺都无法企及。但就三维打印技术的发展现状而言，也存在着一些局限性，包括：
（1）可用于三维打印的材料种类相对有限。
（2）产品精度、理化性能尚难以完全满足工程需求。
（3）难以进行大规模生产，制作成本高，制作效率低。
探究
请组织一场班级内的辩论赛，就“三维打印技术能否取代传统制造业”进行辩论，并记录辩论过程和结果。
三、三维打印的流程
三维打印技术虽然种类多样，但是原理和实施流程都基本一致，实施流程主要分为4个步骤（如图1-16所示）（参见教材P9）。
分层打印，逐层叠加获取三维数字模型 切片处理 逐层三维打印 产品后处理获取三维数字模型：首先，我们需要获取作为打印模板的三维数字模型。模型可以通过软件建模、三维扫描、网络下载、数据转换重建等方式获取，其文件通常是STL格式。
切片处理：三维数字模型在打印前，还需要对其进行分层切片处理，将模型沿水平面分成若干层，并设置三维打印机的工作参数，如打印层高、打印速度、打印温度等，设置完成后通常导出GCODE格式的文件。
逐层三维打印：三维打印机的工作过程是分层打印、逐层叠加，最终形成立体产品。
以熔融沉积成型三维打印机为例，打印机接到打印指令后，打印喷头移动到指定位置将高温熔化的耗材挤出，通过喷头的水平移动完成一个薄层的打印，挤出的耗材逐渐降温凝固。然后喷头上升（或工作台下降）一层面的高度，在上一个薄层的基础上打印新的薄层。如此重复，逐渐打印出立体结构。
产品后处理：打印完成后，一个完整的产品就会呈现在我们眼前，此时打印工作还未完全结束，根据产品的表面质量或模型结构，还可能用到去支撑、打磨、上色、拼接、组装等后处理工序（如图1-17所示）（参见教材P9）。
四、常用的三维打印机
各种品牌、型号的三维打印机数不胜数，为用户提供了丰富的选择空间，三维打印机的种类一般按成型工艺划分。在这里，我们以一款常见的熔融沉积成型三维打印机为例，为同学们介绍三维打印机的基本结构和操作方法。
思考
如果我们想要自己组装一台熔融沉积成型三维打印机，需要用到哪些部件呢？这些部件各起什么作用？
1. 打印机的结构
熔融沉积成型三维打印机主要由打印喷头、送丝机、散热风扇、驱动电机、工作平台、数控设备和触摸显示屏等部件组成。
打印喷头：起到熔化材料的作用，由发热块和喷嘴（如图1-18所示）（参见教材P10）组成。打印喷头有加热功能，能够升温熔化材料并将半流体材料从喷嘴细孔挤出。
送丝机：起到运送材料的作用（如图1-19所示）（参见教材P10）。用两个齿轮夹住材料，齿轮转动并将材料不断送入打印喷头中。喷头挤出材料的速度由送丝机齿轮的转动速度控制。送丝机和打印喷头通常都是组合在一起的。
散热风扇：起到为送丝机和材料降温的作用。防止送丝机长时间高温工作而造成损坏，也可以让喷头挤出的材料快速凝固成型。
驱动电机：起到带动打印喷头和平台移动的作用。三维打印机工作时，打印喷头需要不断在 X 轴、 Y 轴方向移动，平台需要在 Z 轴方向移动，这就需要3个驱动电机带动，通常使用步进电机作为驱动电机。
从图1-20中可以看到以上几个部分，三维打印机里面横向和竖向各有数根管子，驱动电机转动的时候，有螺纹的金属杆就会带动打印喷头移动或工作平台升降，其他的管子则用于控制部件平稳移动。最下面的是承载打印产品的工作平台。
数控设备和触摸显示屏：用于控制三维打印机的操作（如图1-21所示）（参见教材P11）。早期的三维打印机需连接计算机，目前大部分的三维打印机已经具备了脱机打印的功能，只需要将数据复制到便携式存储器，再通过SD卡槽或USB接口连接到三维打印机（如图1-22所示）（参见教材P11），就可以通过触摸显示屏进行打印操作了。
2. 打印操作
在打印前，应预先阅读三维打印机的说明书，检查喷头是否通畅、零件是否有损坏、线路是否连接正常、平台是否校准等。要注意三维数字模型切片处理时设置的打印参数不应超过打印机可执行的范围。打印时，如果出现设备温度过高、打印声音异常的情况，要立刻关闭电源并检查设备。
一般的打印操作步骤如下：
为打印机装载打印材料，从机箱侧面抽出一段材料，接入送丝机（如图1-23所示）（参见教材P12）。
在主界面中选择“预热”，进入“预热”控制界面，可给喷头和工作平台升温预热，图1-24（参见教材P12）黄色部分显示的是喷头当前的温度和目标温度，“20”是指喷头当前的温度，“210”是指喷头加热的目标温度，目标温度可以通过点击触摸屏中的“增加”“减少”按钮进行修改。
在主界面中选择“挤出”，进入“挤出”控制界面，图1-25（参见教材P12）黄色部分显示的是喷头当前的温度和材料挤出长度，当温度加热到预设的210 °C时就可以按下“进料”按钮，看到熔化的材料从喷嘴挤出，表示机器已经做好了打印的准备。
在主界面中选择“打印”，进入“选择文件”控制界面，在显示的数据文件中，选择想要打印的模型，按下“确定”按钮，三维打印机开始打印工作（如图1-26所示）（参见教材P13）。
打印完成后，将产品从工作平台上取下，清理工作平台并关闭三维打印机。
三维打印机的日常保养维护也是非常重要的，打印机检查项目有：喷头是否堵塞，零部件是否松动或损坏，工作平台贴纸是否需要更换，等等。
常见的熔融沉积成型三维打印机的运行原理、设备结构、打印材料等和文中介绍的基本一致，部分细节可能会有所不同。
立即行动
了解你使用的三维打印机的常见故障及解决办法。
思考
李老师是一位体育老师，经常需要用哨声来代替口令，哨子是他工作中不可或缺的工具。最近他有一个小烦恼，他的哨子声音太刺耳了，而且外观一样的哨子很容易和其他班级老师的哨子弄混。
你觉得运用三维打印技术可以帮助李老师解决遇到的难题吗？要解决该难题，还需要掌握哪些知识？
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
了解三维打印技术的产生和发展历史
对三维打印技术给自然以及人类生产、生活方式产生的影响有亲身感悟
理解三维打印技术的特点、优势和局限性
理解三维打印技术的原理和实施流程
认识熔融沉积成型三维打印机的主要部件和功能
能正确、安全地操作三维打印机
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
三维打印机的结构是多种多样的，请观察下面的3台三维打印机，试说出它们的打印喷头和工作平台在空间直角坐标系中的移动方向。
你认为打印喷头和工作平台的移动方式会影响产品成型的速度或精度吗？
板书设计
第一章 三维打印原理
第二节 三维打印技术的基本原理
一、概念和原理
二、特点和优势
三、三维打印的流程
四、常用的三维打印机
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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