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
第四章 三维打印技术应用
第 二 节 三维打印的应用现状与技术延伸
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.了解三维打印技术在各个领域中的应用。
2.了解三维打印行业的发展现状。
3.了解逆向工程、智能制造技术在产品设计和制造中的作用。
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:
了解三维打印技术在各个领域中的应用。
了解三维打印行业的发展现状。
了解逆向工程、智能制造技术在产品设计和制造中的作用。
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 二 节 三维打印的应用现状与技术延伸。
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、三维打印在各领域的应用
经过前面的学习与操作，我们已经可以把自己的创意想法变成现实，成为一位名副其实的三维创客了。三维打印技术的应用远远不只是设计哨子、台灯这些小物件，实际上，小至精细的珠宝，大至庞大的飞机，都已经用上了先进的三维打印技术。三维打印相关的产业规模不断扩大，技术发展也愈加成熟。
1. 工业制造领域
三维打印技术最早应用于工业制造领域，经过多年的发展，其优势越来越突显，已得到广泛的认可，主要应用在模具制造、汽车制造和航空航天领域。
以铸造砂和型砂黏结剂为原材料，经过三维打印，可得到强度高、耐高温的模具。三维打印技术用于模具制造，不仅可以降低成本、缩短周期，还可以提升新品设计的灵活性
三维打印技术近年来广泛应用于汽车制造业，能快速更改设计差错、降低开发成本、简化生产环节、提高生产效率，为低成本的汽车定制提供了可能。三维打印机还能用来修复受损的汽车零件，甚至可以直接打印紧缺的汽车零件，从而可减少备件库存和备件资金占用等（如图4-48所示）（参见教材P82）。
利用三维打印技术制造航空器的重要零部件也已进入实用阶段。与传统制造相比，三维打印制造具有费用低、周期短的优势，零件性能甚至可能超越传统制造的锻造件。
案例
我国走在世界前沿的金属三维打印技术
钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、低阻尼、可焊接、使用温度范围宽等优点，用于制作航空航天飞行器，可以实现飞行器的轻量化和综合性能的提高。
北京航空航天大学运用激光快速成型技术，先后制造出TA15钛合金结构件（如图4-49所示）（参见教材P82），并通过飞机应用试验，零件性能比锻造件还要高出20%。2017年5月5日14时，搭载了这种钛合金结构件的客机C919完成了它的首飞。这架我国自行研制、具有完全自主知识产权的喷气式大型客机在上海浦东国际机场第四跑道一飞升空直上云霄；79分钟后，飞机稳稳降落，现场人群发出热烈的欢呼声。这不是一次普通的起飞，它不仅代表了一个型号飞机的研制成功，还意味着中国航空工业和三维打印技术的起飞——中国由此实现了民用航空技术的突破，以及具备了世界领先的金属三维打印核心技能。
思考
1. 为什么迄今为止，还不能完全用三维打印技术来制造载人飞机呢？在航空航天制造中，三维打印技术存在哪些不足？
2. 我国还有哪些走在世界前沿的三维打印技术？
2. 医疗领域
三维打印技术在医疗领域的应用研究在不断深入，临床试验也在持续推进。目前已成功应用于三维打印模型辅助手术实施、打印义肢和植入物、研制新药等方面，打印器官或组织也已取得阶段性的成果。三维打印在通过科技创新来提高医疗水平中发挥着重要作用。
2014年，湖南湘雅医院利用数字化医疗三维设计系统，对影像学数据进行三维建模，获得病变器官的三维数字模型，通过三维打印制作病变器官的模型，将一名患者的复杂颅底肿瘤及周围组织等比例打印出来，以此对手术进行辅助干预设计，最终将患者颅内的复杂肿瘤精准完整地切除，手术十分成功（如图4-50所示）（参见教材P83）。
除了临床医学，制药行业也用上了三维打印。
2015年，一款三维打印药片获得了美国食品药品管理局的批准。这种口服药叫作左乙拉西坦，可用于治疗癫痫疾病。有些癫痫病人发病时会伴有吞咽药片障碍，该药片创新地设计为一种多孔结构，只需一小口液体就可以在4秒内溶解，大大提升了服药的舒适度（如图4-51所示）（参见教材P83）。
近年来生物三维打印这个概念逐渐进入人们的视野。特殊的生物三维打印机以生物材料、细胞溶液为原料，在数控软件控制下可精确地打印制造出人造骨骼、软骨、皮肤等组织和肝脏、肾脏等器官模型，以修复和替换由于外伤、疾病造成的功能受损的组织或器官（如图4-52所示）（参见教材P83）。
讨论
1. 三维打印活体器官可能实现吗？未来三维打印器官的技术成熟了，会给人们的生活带来什么影响？
2. 三维打印器官能代替人体器官吗？人类是否可以长生不老了？
3. 建筑领域　
传统的建筑建造过程速度慢、成本高，并且施工危险、劳动强度大。随着技术的改进，三维打印技术已经不仅可以打印各种形状的房屋部件，甚至有能力打印一整栋房屋，大大提高了建造房屋的效率，并且减轻了工人的劳动强度。
2014年1月，中国首批使用三维打印技术建造的房屋亮相上海青浦，这些房子是由一台高6.6 m、宽10 m、长32 m的巨型建筑三维打印机在24 h内打印出来的。房子的门窗位置是事先预留出来的，墙体使用特殊的“油墨”根据计算机设计方案逐层堆叠而成。“油墨”是经过加工处理的建筑垃圾，均已经过检测达到安全标准，也完全符合环保和循环利用的理念（如图4-53所示）（参见教材P84）。
思考
在实际的建筑建造中，三维打印技术的应用还有哪些局限性？
4. 珠宝首饰制造
千篇一律的珠宝很难满足人们对美的追求，于是，个性化、定制化的三维打印饰品应运而生。2014 年，全球首款珠宝首饰三维打印机在香港珠宝首饰展上亮相，这款打印机采用金属激光烧结技术，可以贵金属为原材料打印珠宝首饰及高档手表。
案例
图4-54（参见教材P85）就是通过三维建模软件设计，采用铝合金材料进行三维打印，再经过打磨和抛光处理得到的一枚闪闪发亮的核桃形创意戒指。
5. 食品制造
在食品加工工业，三维打印技术悄然带来了一场变革，三维食物打印机不但可以将配料和新鲜食材变成美味佳肴，还能让食物拥有生动的造型和图案，使食物焕发出另一番风采，受到越来越多人的欢迎。
案例
2015年几个清华大学的毕业生合伙成立了一个三维打印煎饼店，用他们改
良的煎饼三维打印机，打印一张煎饼最快仅需2分钟，而且图案多样，吸引了不少关注（如图4-55所示）（参见教材P85）。
三维打印煎饼是不是非常有趣呢？其实它的原理很简单，将常见三维打印机的工作平台换为可加热的铁板，喷头则装载上和好的面浆，通过软件控制喷头的打印轨迹。先挤在铁板上的面浆会呈深色，后挤上去的面浆由于加热时间较短而呈浅色。
三维食物打印不仅可以在食物的外形上别出心裁，还可以根据不同人群的热量需求和口味喜好量身打造食品，制订个性化、参数化的营养配方，达到均衡营养、健康饮食的目的。因此，三维食物打印技术在不久的将来可能成为饮食领域发展的重要推动力。
讨论
1. 你认为三维打印的食物和普通的食物相比，味道会有不同吗？
2. 人们十分重视食品的安全卫生问题，你对三维打印的食物是否会有所顾虑？
6. 教育领域
教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。随着三维打印技术的日臻完善，三维打印机已进入学校，开始在教育应用领域崭露头角（如图4-56所示）（参见教材P86）。例如，三维打印机是很好的教学辅助工具，可打印出任意复杂结构的教学模型，培养同学们的空间能力；它也是同学们自主探索创新的工具，能够将设计迅速、便捷地变成实物，营造真实的问题情境，提高同学们的自主学习、自主探究能力；等等。
三维打印技术作为新型教育理念的重要创新工具，受到了广大师生乃至其他行业人群的广泛关注和热情支持，在创造活动中起到了积极的作用。
探究
许多行业都正在掀起一股三维打印的浪潮，你觉得三维打印技术还适用于哪些领域？未来三维打印技术可能会在哪些领域大显身手呢？
二、三维打印技术的延伸
三维打印作为前瞻性的先进制造技术，受到世界各国的高度重视。近年来，我国的三维打印产业生机勃勃，设备、材料、服务等多方面均增长迅猛。
2016年，我国的三维打印设备安装数量已达到全球数量的10%（如图4-57所示）（参见教材P87），在设备、软件、耗材等重要领域都研发出了拥有我国自主知识产权的先进产品，并且在文化创意、工业制造、生物医学等领域取得突破，尤其是应用在航空航天领域的激光快速成型技术，已迈入世界顶尖行列。
三维打印技术在改进创新和扩大应用的过程中，不断开发出工艺先进的设备、性能优异的材料、便捷智能的软件，技术服务也在往专业化的方向发展。现阶段的三维打印技术，在立体产品设计与制作的基础上，已进一步延伸到多种相关应用领域。
1. 逆向工程
逆向工程是一种产品设计技术再现的过程，即对一款目标产品进行逆向分析和研究。
以汽车制造为例：正常情况下，要制造一辆汽车，首先要整体构思，如这辆汽车的动力性能、外形特点、内饰设计等，在确定了整体构思后再选择合适的零部件，此为“正向工程”。逆向工程则恰恰相反，是对零部件进行扫描重构，将所有细节重现后，推导出原本设计的总体框架。逆向工程常用的工具就是三维扫描仪和三维重建软件。
逆向工程最初用于商业、军事领域中的硬件分析。随着技术的进步和商业环境的变化，逆向工程也被广泛应用在新产品的开发和设计中，这项技术可帮助企业缩短产品开发周期，降低新产品的生产成本等。逆向工程应用三维扫描来获取扫描对象的外形特征，可以精确复制曲线和曲面，弥补三维建模在这方面的不足。在汽车制造领域，工程师通过逆向工程获取现有汽车的外观造型，并进一步设计修改，能加快新型汽车的外观设计过程（如图4-58所示）（参见教材P88）。
立即行动
请你用逆向工程的方法，获取一个花瓶的模型并修改设计，然后打印出经改造过的花瓶。
2. 智能制造
智能制造的含义非常广泛，总的来说，智能制造包含智能制造技术和智能制造系统两个方面。随着新一轮科技革命与产业变革的兴起，智能制造成为全球制造业变革的重要方向和竞相争夺的制高点，发展智能制造是我国制造强国战略的重要组成部分，三维打印则是加快发展智能制造的重要途径。有专家认为，三维打印将成为传统制造业转型升级进入智能制造的助推器，有望在一定程度上改变传统的工艺和流程。
传统制造业的设计要同时考虑产品性能和工艺技术的可行性，一些复杂的设计构想用传统工艺是无法制作出来的，因此性能指标必须向工艺技术妥协。但三维打印技术恰恰具有精确构建复杂结构的优势，可以帮助设计人员在设计时从原来的以考虑平衡产品性能和制作工艺为主，转变为以考虑突出产品性能为主，这有助于拓展他们的思维，激发他们的创意。
三维打印技术在不断进步，信息技术、人工智能、高端装备、新材料等也在飞速发展，先进技术的融合发展，为实现智能制造提供了无限的可能，我们可以设想，在不久的将来，工厂企业将变得更加自动化、智能化，生产设备都是先进的三维打印机，生产操作全交由具有人工智能的机器人负责，人员需求将大大减少，可能实现“无人作业”，或将为生产力带来前所未有的变革。
讨论
你觉得人们已经广泛接受三维打印的产品了吗？三维打印产品可能会引发哪些问题？请举例说明，并完成表4-3。
表4-3 三维打印技术可能引发的问题
问题类型 举例
生物打印的伦理问题
打印产品所涉及的税务问题
机密产品的保密问题
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
能根据教学步骤完成哨子、台灯的三维建模能使用除软件建模外的方式获取三维数字模型并进行编辑修改
能完成三维数字模型的切片和三维打印制作
能对三维打印制作的产品或部件进行去支撑、打磨、上色、组装等后处理
能对三维打印制作的产品功能进行测试和分析
熟练掌握教学实验中涉及的软件功能，可以举一反三，完成自己的建模设计
了解三维打印技术在各领域中的应用
理解三维扫描、逆向工程、智能制造在技术产品设计和制造中的作用
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. 建筑三维打印技术突破了以往的搭建流程，更加高效、环保。2016年，我国建筑三维打印企业用三维打印技术制造了一幢中式别墅。这幢别墅不但整体结构用三维打印技术制作，而且部分内饰也采用了三维打印技术制作。
有人认为，这反映了建筑三维打印技术愈发成熟，用三维打印技术建造中式庭院，是新兴制造技术与传统建筑文化相结合的成功案例，更是宜居建设和智慧建设的经典案例。
我国的传统文化博大精深，你认为三维打印技术还能与我国的哪些传统文化相互结合、推陈出新？
2. 三维打印技术的发展日新月异，但是信息技术、人工智能等高新技术也在蓬勃发展，你认为在可见的未来，三维打印技术与其他新技术是相互促进与融合的关系，还是取代与被取代的关系？
板书设计
第四章 三维打印技术应用
第 二 节 三维打印的应用现状与技术延伸
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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