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《通用技術(shù)》選擇性必修11：產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與制造
第二章 三維產(chǎn)品技術(shù)分析
第一節(jié) 三維打印的技術(shù)類型
教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)背景
三維打印是近年來受到人們廣泛關(guān)注的一項(xiàng)高新技術(shù)，被譽(yù)為開啟新工業(yè)革命的鑰匙，它的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了人類的生產(chǎn)制造模式從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，三維打印技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展仍方興未艾，新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用仍源源不斷問世，而且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航天、醫(yī)療教育、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，這一切都展示了三維打印技術(shù)強(qiáng)大的生命力和難以估量的發(fā)展前景。
教學(xué)目標(biāo)：
知識(shí)與技能目標(biāo):
1.了解常見的三維打印技術(shù)。
2.了解不同三維打印成型工藝的特點(diǎn)。
教學(xué)內(nèi)容分析:
教材分四章：三維打印原理、三維產(chǎn)品技術(shù)分析、三維模型設(shè)計(jì)和三維打印技術(shù)應(yīng)用。由淺入深，帶領(lǐng)同學(xué)們了解三維打印技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展歷程，了解三維打印的基本原理、設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方法；熟悉不同材料和成型工藝的特點(diǎn)，能結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求制訂合適的產(chǎn)品制作方案；學(xué)習(xí)三維建模，掌握三維模型設(shè)計(jì)的基本思路和方法；通過實(shí)踐操作教學(xué)，設(shè)計(jì)和制作出哨子、臺(tái)燈等立體模型。
學(xué)情分析:
學(xué)生對(duì)三維打印的了解認(rèn)識(shí)有限，面對(duì)未來，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)三維打印的知識(shí)。
教材注重發(fā)展同學(xué)們的核心素養(yǎng)。通過了解三維打印的原理及其應(yīng)用，感悟三維打印技術(shù)對(duì)人們生產(chǎn)、生活的影響。選取能突出反映三維打印特點(diǎn)的案例，通過對(duì)不同工藝的對(duì)比，讓同學(xué)們深刻體會(huì)三維打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)的區(qū)別，幫助同學(xué)們樹立技術(shù)意識(shí)。所選案例貼近日常生活，方便同學(xué)們學(xué)以致用，在制訂方案的過程中，引導(dǎo)同學(xué)們從實(shí)際出發(fā)，具體問題具體分析，通過對(duì)比、權(quán)衡和優(yōu)化得到最佳方案，以此培養(yǎng)工程思維。在實(shí)踐操作教學(xué)中，幫助同學(xué)們較全面地掌握三維打印的設(shè)計(jì)技巧和制作方法，引導(dǎo)同學(xué)們思考與探究，從而提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
教學(xué)重難點(diǎn):
了解常見的三維打印技術(shù)。
了解不同三維打印成型工藝的特點(diǎn)。
教學(xué)策略:
在教學(xué)過程中，注重對(duì)同學(xué)們科學(xué)態(tài)度、價(jià)值觀的引導(dǎo)和培養(yǎng)。本書設(shè)計(jì)的案例、實(shí)踐活動(dòng)、思考、討論等欄目充分融合了科技與人文理念，如為體育老師制作哨子、為母親制作杯子、三維打印是否可取代傳統(tǒng)制造業(yè)、三維打印文物仿品可否代替真品進(jìn)行展覽、三維打印器官的倫理思考等，引導(dǎo)同學(xué)們從社會(huì)、科技、人文等方面進(jìn)行考慮，從而發(fā)展綜合素養(yǎng)。
運(yùn)用三維打印技術(shù)，不用依賴機(jī)床和車間，也不用削、鉆、鑄等手段，只要借助一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)三維打印機(jī)，我們就能變成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、制造者。讓我們一起走進(jìn)三維打印的世界，領(lǐng)略它的神奇與不凡；讓三維打印技術(shù)成為我們的好幫手，助我們實(shí)現(xiàn)腦海中奇妙的構(gòu)想吧。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
教學(xué)過程:
情景導(dǎo)入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修11：產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與制造　第二章 三維產(chǎn)品技術(shù)分析　第一節(jié) 三維打印的技術(shù)類型。
通過第一章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們了解了三維打印的發(fā)展歷史、概念原理及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作方法。
實(shí)際上，由于打印材料的不同或材料疊加方式的多樣，三維打印技術(shù)有很多種，人們根據(jù)不同的技術(shù)研發(fā)出了不同類型的打印機(jī)，這些打印機(jī)有的打印得快速，有的打印得精細(xì)，有的能打印金屬，各有千秋。因此在開始打印操作之前，我們應(yīng)該對(duì)三維打印的工藝和材料有全面的了解，掌握其特點(diǎn)。
在實(shí)際應(yīng)用中，我們還應(yīng)該從產(chǎn)品需求出發(fā)，根據(jù)不同工藝和材料的特點(diǎn)做出合理的技術(shù)分析，制訂合適的三維打印制造方案。
一、光固化立體成型
光固化立體成型技術(shù)(stereo　Lithography　Apparatus，SLA）是最早問世的三維打印技術(shù)，也是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的三維打印技術(shù)之一，使用的材料主要為液態(tài)光敏樹脂。光固化立體成型三維打印機(jī)工作時(shí)，要有一個(gè)盛有液態(tài)材料的液體槽，通過工作平臺(tái)上方的紫外光光源發(fā)射一定波長(zhǎng)的紫外光（波長(zhǎng)250～300 nm），材料在紫外光的照射下發(fā)生聚合反應(yīng)從而在工作平臺(tái)上固化。隨后，工作平臺(tái)垂直移動(dòng)一個(gè)層面的高度，形成新的固化工作液面，再次光照固化。如此循環(huán)反復(fù)，直至產(chǎn)品完全成型（如圖2-1所示）（參見教材P16）。
這樣的成型方式每層厚度可控制在0.05～0.15 mm，精度較高，產(chǎn)品的表面平滑整齊（如圖2-2所示）（參見教材P16）。但因?yàn)榇蛴〔牧暇窒抻诤泄庖l(fā)劑的液態(tài)材料，所以光固化立體成型技術(shù)使用的打印材料較為有限。
知識(shí)窗
激光選區(qū)燒結(jié)
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)和光固化立體成型技術(shù)非常相似，但它是在粉末床中完成的。選擇性激光燒結(jié)三維打印機(jī)工作時(shí)，先在工作臺(tái)中鋪上一層粉末，將材料預(yù)熱至接近其熔點(diǎn)，通過激光光斑燒結(jié)特定的區(qū)域，使粉末熔化黏結(jié)，隨后工作平臺(tái)降低高度再鋪上新的工作粉末層，按此程序循環(huán)直至物體成型（如圖2-3所示）（參見教材P17）。激光選區(qū)燒結(jié)具有適用材料種類廣泛的優(yōu)點(diǎn)，如尼龍、蠟、樹脂、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結(jié)對(duì)象。尤其是三維打印的金屬產(chǎn)品，常常會(huì)選用這種工藝進(jìn)行制作（如圖2-4所示）（參見教材P17）。
二、熔融沉積成型
熔融沉積成型技術(shù)也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的三維打印技術(shù)之一，許多桌面級(jí)的三維打印機(jī)都是基于這種成型工藝。熔融沉積成型三維打印機(jī)工作時(shí)，材料通過送絲機(jī)送進(jìn)打印噴頭，并在打印噴頭內(nèi)被加熱熔化。打印噴頭按計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的路徑沿產(chǎn)品截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出到指定位置并使其冷卻凝固，依此逐層堆疊最終成型（如圖2-5所示）（參見教材P18）。
這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很突出：材料利用率高，可配備多個(gè)噴頭以打印多種材料，可實(shí)現(xiàn)多色成型。但缺點(diǎn)也比較明顯：機(jī)械強(qiáng)度不高、不耐高溫、表面質(zhì)量差，容易出現(xiàn)“臺(tái)階效應(yīng)”（如圖2-6所示）（參見教材P18），較難形成精密復(fù)雜的部件。因此，該工藝適用于產(chǎn)品的概念建模、形狀和功能測(cè)試，不適合制造大型零件，對(duì)精度要求高的產(chǎn)品一般較少使用熔融沉積成型技術(shù)。
知識(shí)窗
“臺(tái)階效應(yīng)”是影響成型精度和表面質(zhì)量的主要因素之一。分層打印時(shí)，每一層雖然很薄，但在一定的微觀尺度下，仍會(huì)形成具有一定厚度的一級(jí)級(jí)“臺(tái)階”，如果需要制造的對(duì)象表面是圓弧形的，那么就會(huì)造成精度上的偏差（如圖2-7所示）（參見教材P18）。
“臺(tái)階效應(yīng)”會(huì)造成零件形狀的變形：表面體積缺損或表面體積增加。
三維打印技術(shù)種類很多，目前已經(jīng)在最初的光固化立體成型技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出了幾十種打印工藝，每種工藝的基本原理都大致相同，但是把原材料堆疊、固化的方式各有不同。
立即行動(dòng)
請(qǐng)查閱資料，了解目前常用的三維打印技術(shù)還有哪些，各有什么特點(diǎn)。
表2-1 不同三維打印技術(shù)的特點(diǎn)
成型工藝 特點(diǎn)
數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）
激光選區(qū)熔化（SLM）
三維噴涂黏結(jié)成型（3DP）
課后作業(yè)
習(xí) 題
1．2015年，數(shù)棟使用三維打印技術(shù)建造的建筑亮相蘇州工業(yè)園區(qū)。負(fù)責(zé)人介紹：建筑三維打印機(jī)利用礦山尾礦和處理后的建筑垃圾制成的混凝土為原料，用機(jī)械吊臂控制噴頭運(yùn)動(dòng)，將墻壁快速地“壘”起來。相比傳統(tǒng)建筑技術(shù)，可節(jié)約建筑材料30%～60%，工期縮短50%～70%，節(jié)約人工50%～80%。
針對(duì)以上材料，你覺得建筑三維打印技術(shù)的制造工藝是怎么樣的？
2．光固化立體成型技術(shù)是最早發(fā)明的三維打印技術(shù)，請(qǐng)觀察下圖中的兩臺(tái)光固化三維打印機(jī)，左圖為1.85 m高的工業(yè)級(jí)打印機(jī)，右圖為0.5 m高的桌面級(jí)打印機(jī)。
為什么這兩臺(tái)打印機(jī)配有帶顏色的罩子，其作用是什么？
右圖的桌面級(jí)光固化三維打印機(jī)，工作平臺(tái)是位于產(chǎn)品上方的，那么這臺(tái)打印機(jī)的工作原理是怎么樣的？為什么會(huì)設(shè)計(jì)成這樣的結(jié)構(gòu)？
板書設(shè)計(jì)
第二章 三維產(chǎn)品技術(shù)分析
第一節(jié) 三維打印的技術(shù)類型
一、光固化立體成型
二、熔融沉積成型
通用技術(shù)
選擇性必修11：產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與制造
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主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊(cè) 主 編：黃文華 歐陽漢斌
本冊(cè)副主編：李鑒軼 關(guān)穎健
編 寫 人 員：利時(shí)雨 戴振寧 李永欣 謝普生
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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