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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
第四章 三维打印技术应用
第一节 三维打印的应用实践
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.熟练掌握建模软件的设计功能。
2.能用三维打印技术设计并制造一个实用且具有简单组合结构的产品。
3.掌握产品后期加工、组装与测试的方法。
4.深刻领悟三维打印技术的优势。
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:
熟练掌握建模软件的设计功能。
能用三维打印技术设计并制造一个实用且具有简单组合结构的产品。
掌握产品后期加工、组装与测试的方法。
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　第四章 三维打印技术应用　第一节 三维打印的应用实践。
在前面的学习中，我们已经掌握了三维打印的原理、三维打印机的操作、制作方案的设计、模型获取的方式、模型切片等必备知识，现在离制作自己的创意作品只有一步之遥了。
本章内容中，我们将一起构建一个嵌入式一体化结构和一个简单组装结构的三维数字模型，并将其打印成真实的物体，再对物品进行后处理，最终得到成熟的产品。以此全面熟悉并掌握三维打印技术，进而了解三维打印这项新技术在众多行业中的应用和延伸。
希望同学们通过本章内容的学习，全面掌握三维打印各个实施环节的必要技能，充分发挥想象力，让三维打印技术成为我们将创意灵感转化成实物的得力助手。
一、哨子的制作实践
哨子是一种可以发出声音信号的小型器物，不同的哨子形式各异，材质多样，用途不一（如图4-1所示）（参见教材P56）。同学们，还记得李老师的烦恼吗？现在让我们用三维打印技术来帮他做一枚声音悦耳且造型独特的哨子吧。
思考
哨子是什么形状的？可以大致看成是哪些形状的组合？如果用传统工艺制作生产，需要经过哪些工艺流程？
我们先来设计一种常见的、带震动弹子的哨子（如图4-2所示）（参见教材P56）的三维数字模型，并在哨子上加上“中国制造”四个字，以便区分。
第一步：使用“草图圆”工具，选择圆心，再指定直径画一个圆，如图4-3（参见教材P57）所示。
◆ 功能提示：可以在文字框中输入参数，指定圆的直径。
第二步：使用“多段线”工具，连续指定几个点，画出如图4-4（参见教材P57）所示的图形。
◆ 功能提示：蓝色小格子的边长是5 mm，可以依据格子数目判断长度。
第三步：使用“三点圆弧”工具，先选择圆弧的起点，再选择圆弧的端点，最后选择圆弧上的点，将绘图修改为图4-5（参见教材P57）所示的图形。
◆ 功能提示：注意看浮动的绿色窗口，按照文字提示操作。
第四步：把不需要的线段修剪掉，就得到一个哨子的形状了（如图4-6所示）（参见教材P58）。
思考
为什么要修剪掉多余的线段呢？
第五步：选中哨子的图形，使用“拉伸”工具按照箭头方向拉伸，将平面图形变成一个实体（如图4-7所示）（参见教材P58）。
思考
如果刚才不修剪多余的线条，现在还能拉伸吗？
第六步：利用“抽壳”工具，指定要删除的实体的面，把实心的物体变成空心（如图4-8所示）（参见教材P59）。
◆ 功能提示：注意从哪一个面掏空实体。
第七步：利用“草图矩形”和“拉伸”工具在空心物体的表面掏出一个矩形的洞（如图4-9所示）（参见教材P59）。
◆ 功能提示：点击软件右上角的视图立方体可以调整视图的角度。
注意
绘制完矩形之后要向内侧拉伸，拉伸的参数是负数。
第八步：利用“扭曲”工具把这个洞的一个面变成斜面，设置参数为3 mm，至此一个哨子的外壳就完成了（如图4-10所示）（参见教材P60）。
注意
选择一条边作为扭曲操作的对象。
思考
还有其他方法能够达到同样的效果吗？
第九步：在哨子表面写上文字“中国制造”（如图4-11所示）（参见教材P60）。
注意
文本功能不能换行输入。
第十步：点击文字，利用“拉伸”工具把平面字体变成立体的实体（如图4-12所示）（参见教材P61）。
思考
为什么要拉伸呢？如果不拉伸，会有什么影响？
第十一步：给哨子加上一个拴绳子的环扣。先画出一个圆环体，然后将其移动到和哨子实体相交的部位，如图4-13（参见教材P61）。
第十二步：去除圆环在哨子里面的部分。
思考
怎么去除圆环在哨子里面的部分呢？
首先利用“分割实体”工具，将圆环分成两部分，分割之后删除圆环在哨子里面的部分，如图4-14（参见教材P62）。
注意
要分割的实体是圆环，分割工具是哨子的表面。
◆ 功能提示：这个步骤是为了用哨子的表面将圆环切成两部分，只留下外侧的部分作为拴绳子的环扣，内部的部分没有用，要删掉。长按鼠标左键可选择被遮挡的对象。
第十三步：利用“基本体”制作一个半径为4 mm的小球，并把它放到哨子内部（如图4-15所示）（参见教材P62）。
◆ 功能提示：利用“移动/旋转”工具将小球放到哨子内部。
思考
不放置这个小球，只有外壳的哨子能吹响吗？
哨子模型的设计检验
请注意，为使打印出来的哨子吹得响亮，需要在哨嘴开口，哨子背部开斜面，哨子内部放置小球，请你对照第六步、第八步、第十三步，对哨子的三维数字模型进行检查。
第十四步：把设计好的哨子保存下来，可以直接使用“保存”功能将模型存储为123DX格式，以便下次打开的时候可以继续编辑，也可以使用“导出为3D文件”功能存储为STL格式（如图4-16所示）（参见教材P63）。在这里我们保存为STL格式，用Cura软件进行切片后打印出立体模型。
你打印出来的哨子实物，能吹得响吗？声音是否悦耳？实物是否和你的设计方案一致呢（如图4-17所示）（参见教材P63）？
思考
同学们还记得第十三步中我们放置在哨子中的小球吗？这个小球在刚打印完时可以活动吗？为什么？
◆ 提示：如果小球是不能活动的，请试着用尖细的物体从哨子开口处伸进，捅一捅，使小球可以活动。
产品评价
请同学们检测自己所制造的哨子的质量、性能，并做出评价，填写表4-1。
表4-1 哨子质量和性能评价
评价指标 评价结果
产品性能 声音响亮□ 无响声□
产品质量 完好坚固□ 破裂松动□
产品表面 光滑□ 粗糙□
思考
用三维打印机可以将哨子的外壳和里面的弹子一次打印成功而无须组装，用其他工艺可以做到吗？
在不改变产品结构的前提下，我们可以发挥想象和创意，对三维产品进行渲染，以美化其外观，甚至提升其内涵。如图4-18（参见教材P64）是用画笔和涂料上了色的哨子。
知识窗
如何给产品上色
常见的熔融沉积成型三维打印机大多数是用一种材料进行打印的，成型产品以单色居多，颜色单调，因此，给产品上色是常用的后处理加工方式之一。
手工上色是最简单最基本的上色方法。为了呈现出较好的表面色彩，可以先给产品涂上一层浅的底色（一般为浅灰色或白色），再涂上主色，以防出现颜色不均匀或反色的现象（如图4-19所示）（参见教材P64）。上色最好采用十字交叉涂法，即在第一层涂料即将干燥时，再涂上第二层涂料，第二层的笔刷方向和第一层垂直。
除了手工上色，还可以借助上色工具，如采用喷漆、浸染、电镀等方式为产品添加色彩（如图4-20所示）（参见教材P65）。
二、台灯的制作实践
台灯是我们学习的好伙伴，一盏亮度适宜、造型优美的台灯，不仅能有效保护我们的视力，还能点缀我们的书桌。这一节我们来制作一个花瓶形状的台灯吧。
1. 活动准备
购买一个带开关和电线的灯头配件、一个节能灯泡，并测量各部分的尺寸，如图4-21（参见教材P65）。
2. 建模过程
思考
台灯由几个部分构成？每个部分是怎样组装到一起的呢？
第一步：制作灯身。按照之前测量的参数利用“多段线”“样条曲线”工具绘制图4-22（a）（参见教材P66）中的图案和直线；然后利用“旋转”工具让草图绕着直线旋转360°，生成如图4-22（e）（参见教材P66）所示的实体，灯身就制作好了。
注意
这些参数不是固定的，参数跟同学们买到的台灯配件有关。
◆ 功能提示：轮廓选择草图，轴选择左侧直线，旋转角度为360°。
思考
为什么要画图4-22（a）（参见教材P66）中的直线？该图右侧图案底下突出的部分起什么作用？
第二步：制作底座。利用“多段线”“三点圆弧”工具绘制底座的草图（如图4-23所示）（参见教材P66）。
思考
为什么中间要画一个凹槽？
第三步：同样利用“旋转”工具得到如图4-24（参见教材P67）所示的底座实体。
◆ 功能提示：轮廓选择草图，轴选择左侧直线。
第四步：通过“草图矩形”和“拉伸”操作在底座下面掏一个凹槽，连通内外，底座就制作好了（如图4-25所示）（参见教材P67）。
◆ 功能提示：绘制的矩形要超出底座的宽度，拉伸的高度为5 mm。
下面我们要制作灯罩了，这个灯罩跟普通的灯罩有些不一样，它由两部分组成。
第五步：先制作灯罩的主体部分，通过“草图圆”绘制一个圆（如图4-26所示）（参见教材P68）。
第六步：“拉伸”再“抽壳”形成圆筒型灯罩实体（如图4-27所示）（参见教材P68）。
第七步：为了防止边缘太尖锐，我们用“圆角”工具将灯罩的棱角都做成圆角（如图4-28所示）（参见教材P69）。
第八步：制作灯罩托。绘制两个同心圆，并“拉伸”（如图4-29所示）（参见教材P69）。
◆ 功能提示：两个同心圆的直径分别是121 mm和130 mm，拉伸高度为5 mm。
第九步：绘制两个直径分别为41 mm和50 mm的同心圆（根据灯头的直径），然后使用“多段线”画出八条直线与第八步绘制的直径为121 mm的外圆连接，如图4-30（参见教材P69）所示。
◆ 功能提示：直线一定要与两个圆相交，否则下一步将无法操作。
第十步：利用“修剪”工具剪掉多余的线段，得到如图4-31（c）（参见教材P70）所示的形状。
◆ 功能提示：要修剪掉八条线才能得到这一步的结果，其中四条在121 mm直径的圆上，另外四条在50 mm直径的圆上。
第十一步：“拉伸”再“合并”，得到一个灯罩托（如图4-32所示）（参见教材P70）。
◆ 功能提示：此处拉伸高度为3 mm。
注意
两个部分的拉伸高度是不一样的。
思考
为什么拉伸的高度不一样呢？
紧接着，我们来构建一个五棱柱形状的盒子。
第十二步：首先，使用“草图多边形”工具绘制两个同心的正五边形，顶点距中心的距离分别是70 mm和65 mm（如图4-33所示）（参见教材P71）。
第十三步：使用“拉伸”工具构建盒子的主体。选中外圈的五边形，拉伸40 mm；选中内圈的五边形，拉伸42 mm，并选择合并两部分模型；选中拉伸后内圈五棱柱的顶面，
使用“抽壳”功能，设置内侧厚度为2 mm（如图4-34所示）（参见教材P71）。
第十四步：接下来，开始构建盒盖，方法与第十二步、第十三步类似。
使用“草图多边形”工具绘制两个同心正五边形，半径分别为70 mm、67 mm。选中外圈的五边形，拉伸20 mm；选中内圈的五边形，拉伸17 mm，并选择合并两部分模型；选中拉伸后内圈五棱柱的顶面，使用“抽壳”功能，设置内侧厚度为4 mm（如图4-35所示）（参见教材P72）。
思考
为什么第十三步的抽壳厚度是2 mm，而第十四步的抽壳厚度是4 mm？
第十五步：将盒盖提高并翻转。沿Z 轴“移动”40 mm，绕Y 轴“旋转”180°。再沿X 轴、Y 轴平移到盒子主体上方，如图4-36（参见教材P72）所示。
第十六步：构建盒子主体与盒盖的连接结构。如图4-37（参见教材P73），利用“多段线”绘制草图。
如图4-38（a）（参见教材P73），选中相邻两个区域，无须选中圆形，拉伸3 mm，即为与盒盖相连接的结构。将该模型旋转平移，如图4-38（b）（参见教材P73），从而模拟盒盖打开时连接结构的运动位置。用“多段线”绘制三角形，如图4-38（c）（参见教材P73），即得到和盒子主体相连接的结构草图。
思考
图4-38（c）（参见教材P73）中突出的三角形起什么作用？
第十七步：先将盒盖的连接结构移开，再分别将两片盒子主体的连接结构拉伸3 mm，如图4-39（a）和 图4-39（b）（参见教材P74）。通过移动和旋转，使盒盖连接结构夹在盒子主体连接结构之间，每片连接结构相隔1 mm，如图4-39（c）（参见教材P74）。
将三角形拉伸11 mm，得到一个三棱柱，再将三棱柱与两片盒子主体连接结构合并，如图4-39（d）（参见教材P74）。
复制连接组合结构，沿Z 轴平移50 mm，如图4-39（e）（参见教材P74）。
第十八步：将连接部件绕Y 轴和Z 轴旋转90°，并平移至与盒子主体、盒盖接触，如图4-40（a）（参见教材P74）。使用“合并”功能，将盒盖与两片连接结构合并，将盒子主体与四片连接结构合并，如图4-40（b）（参见教材P74）所示。
第十九步：创建1根直径为5 mm、长度为62 mm的圆柱体，作为连接结构中间的连接杆，如图4-41（参见教材P75）所示。
◆ 功能提示：可根据三维打印机的制作精度设置直径的大小，避免由于误差过大而导致连接过于紧密或过于松动。
第二十步：创建长度为80 mm、宽度为30 mm的长方形，一端含有直径为12 mm的圆，如图4-42（a）（参见教材P75），将长方形拉伸3 mm，圆拉伸6 mm。复制该模型并平移至一旁，使用“变换”菜单中的“缩放”功能，将该模型略微放大一些，如图4-42（b）（参见教材P75）。
将小尺寸模型和盒子主体进行合并，如图4-42（c）（参见教材P75）；将大尺寸模型和台灯底座重叠，并使用“相减”功能，在台灯底座上留下凹槽，如图4-42（d）（参见教材P75）。
思考
这一步骤是为了构建盒子主体和台灯底座的连接部件，这样设计有什么意义？
第二十一步：将创意台灯的各部件保存并以STL格式导出，进行切片处理和打印制作。请注意各部件摆放的方位，如盒盖应该顶面朝下，紧贴工作平台进行打印，以减少支撑。
台灯模型的设计检验
请注意，为使台灯各部分成功拼接、紧密贴合，需要注意各部件尺寸的匹配。尤其是灯身和底座、灯身顶部和灯泡零件、灯身顶部和灯罩托、灯罩和灯罩托的连接部位。请对照第一步、第三步、第五步、第九步，检查你的三维数字模型。
另外，请注意灯罩抽壳设置的内侧厚度值不宜太大，否则会导致灯罩太厚，影响透光。请对照第六步，检查你的三维数字模型。
3. 切片与打印
将模型切片、打印、组装，一个花瓶台灯就制作好了。安装上节能灯泡，插上电源，看看花瓶台灯的效果，如图4-43（参见教材P76～77）所示。
注意
在组合产品的零件切片时，要注意各部件尺寸的匹配。接触电源、灯泡时注意用电安全。
由于熔融沉积成型技术打印出来的弧面和曲面容易出现“台阶效应”，这个时候可以用打磨的方法，使台阶状的曲面变得平滑。
知识窗
如何打磨抛光模型
打磨抛光的方法有很多，砂纸打磨是常用的方法之一。砂纸打磨主要用到水砂纸、打磨棒等工具。常见的水砂纸型号有600号、800号、1 000号、1 200号、1 500号，号码越大，砂纸的表面颗粒越细密（如图4-44所示）（参见教材P77）。使用水砂纸打磨时要在表面适当淋水。打磨后物件表面可能缺乏光泽，这时候用牙膏抹在布上再对零件进行擦拭，可恢复光泽。
除了砂纸，还可以用到溶剂抛光法。四氢呋喃溶剂可以对PLA材料进行抛光，操作时需准备抛光布、非乳胶手套等工具（如图4-45所示）（参见教材P78）。其他种类的高分子材料需要使用对应的溶剂，如ABS塑料可使用丙酮进行抛光，聚己内酯塑料可使用二氯甲烷进行抛光。进行溶剂抛光时，需要了解溶剂的理化特性，注意操作安全。
其他抛光法还有火烤、震动抛光、珠光处理等。
产品评价
请同学们检测花瓶台灯的质量、性能，并做出评价，填写表4-2。
表4-2 花瓶台灯质量和性能评价
评价指标 评价结果
产品性能 明亮□ 昏暗□ 无光亮□
产品质量 完好坚固□ 破裂松动□
产品尺寸 合格□ 不合格□
部件接口 紧密□ 疏松□
产品密封性 封闭□ 有缝隙□
产品表面 光滑□ 粗糙□
立即行动
为了使创意台灯更加富有艺术性，我们可以在台灯部件上添加一些文字、浮雕，甚至小型的装饰部件。一些三维数字模型比较复杂，建模难度很大，我们可以将网络下载和软件建模相结合，把外部的三维数字模型导入我们的建模软件中。
请下载一个公鸡模型和米老鼠模型，并与台灯部件合并（如图4-46所示）（参见教材P79）。
思考
为何导入软件中的三维数字模型是网格状的表面？为何将台灯部件和网络模型合并后，台灯部件的三维数字模型表面也变成了网格状？
知识窗
我们在网络上搜索下载卡通图案的STL文件，在建模软件的左上角主菜单中选择“导入”—“3D模型”—“浏览我的电脑”，打开该STL文件。如果导入的模型尺寸不匹配，可选中模型，选择“变换”菜单中的“缩放”或者“智能缩放”功能，调整模型尺寸，并平移至合适的位置。
不同的三维建模软件生成的STL文件格式可能会存在细微差异，从而导致STL文件在不同软件中导入出错。我们这里使用的软件并不具备模型的检测和修复功能，若发生导入错误，大家可使用3D Builder等软件对STL文件进行修复。3D Builder还可以对模型进行简化，减少模型三角面片的数量，达到缩减文件大小的目的。
课后作业
习 题
1. 用软件建模的方式制作一个如图所示的花瓶。
2. 用软件建模的方式制作一个如图所示的茶壶。
3. 用软件建模的方式制作一个如图所示的篮子。
板书设计
第四章 三维打印技术应用
第一节 三维打印的应用实践
一、哨子的制作实践
二、台灯的制作实践
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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