資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修11：產品三維設計與制造
第二章 三維產品技術分析
第二節 三維打印的材料
教學設計
教學背景
三維打印是近年來受到人們廣泛關注的一項高新技術，被譽為開啟新工業革命的鑰匙，它的發明實現了人類的生產制造模式從等材、減材到增材的重大轉變。由于其獨特的優勢，三維打印技術經歷了30多年的發展仍方興未艾，新技術、新材料、新應用仍源源不斷問世，而且被廣泛應用于工業制造、航空航天、醫療教育、藝術設計等領域，這一切都展示了三維打印技術強大的生命力和難以估量的發展前景。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解三維打印材料的類型。
2.了解三維打印材料的特性和用途。
教學內容分析:
教材分四章：三維打印原理、三維產品技術分析、三維模型設計和三維打印技術應用。由淺入深，帶領同學們了解三維打印技術的產生和發展歷程，了解三維打印的基本原理、設備的結構和操作方法；熟悉不同材料和成型工藝的特點，能結合產品設計要求制訂合適的產品制作方案；學習三維建模，掌握三維模型設計的基本思路和方法；通過實踐操作教學，設計和制作出哨子、臺燈等立體模型。
學情分析:
學生對三維打印的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關三維打印的知識。
教材注重發展同學們的核心素養。通過了解三維打印的原理及其應用，感悟三維打印技術對人們生產、生活的影響。選取能突出反映三維打印特點的案例，通過對不同工藝的對比，讓同學們深刻體會三維打印技術和傳統制造技術的區別，幫助同學們樹立技術意識。所選案例貼近日常生活，方便同學們學以致用，在制訂方案的過程中，引導同學們從實際出發，具體問題具體分析，通過對比、權衡和優化得到最佳方案，以此培養工程思維。在實踐操作教學中，幫助同學們較全面地掌握三維打印的設計技巧和制作方法，引導同學們思考與探究，從而提高實踐能力和創新能力。
教學重難點:
了解三維打印材料的類型。
了解三維打印材料的特性和用途。
教學策略:
在教學過程中，注重對同學們科學態度、價值觀的引導和培養。本書設計的案例、實踐活動、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制造業、三維打印文物仿品可否代替真品進行展覽、三維打印器官的倫理思考等，引導同學們從社會、科技、人文等方面進行考慮，從而發展綜合素養。
運用三維打印技術，不用依賴機床和車間，也不用削、鉆、鑄等手段，只要借助一臺計算機和一臺三維打印機，我們就能變成產品的設計者、制造者。讓我們一起走進三維打印的世界，領略它的神奇與不凡；讓三維打印技術成為我們的好幫手，助我們實現腦海中奇妙的構想吧。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修11：產品三維設計與制造　第二章 三維產品技術分析　第二節 三維打印的材料。
通過第一章的學習，同學們了解了三維打印的發展歷史、概念原理及打印機的結構和操作方法。
實際上，由于打印材料的不同或材料疊加方式的多樣，三維打印技術有很多種，人們根據不同的技術研發出了不同類型的打印機，這些打印機有的打印得快速，有的打印得精細，有的能打印金屬，各有千秋。因此在開始打印操作之前，我們應該對三維打印的工藝和材料有全面的了解，掌握其特點。
在實際應用中，我們還應該從產品需求出發，根據不同工藝和材料的特點做出合理的技術分析，制訂合適的三維打印制造方案。
一、材料的類型
在三維打印領域，可以用于打印的材料有很多，這些材料根據不同的物質形態可分為3類，其分類與設備的材料供應方式和材料的固化方式密切相關。
（1）固態線材：指加工成直徑為1～2 mm的固體線形材料，通常以盤卷的方式儲存包裝，適用于熔融沉積成型工藝的三維打印機。常見的固態線材以熱塑性高分子材料為主，如聚乳酸（PLA）線材，除此之外，一些復合材料、尼龍材料也可以加工成固態線材。
（2）固態粉末：指粒徑小于1 mm的固體顆粒狀材料，通常儲存在三維打印機的粉末床中，適用于配有粉末床的激光選區燒結、三維噴涂黏結成型等三維打印機。常見的固態粉末有很多種，大多為金屬粉末、石膏粉末、尼龍粉末，一些高分子材料也可以制成固態粉末。
（3）液態材料：指具有流動性、需要液體槽或料倉儲存的液態材料。常見的三維打印液態材料是光敏樹脂，適用于光固化立體成型的三維打印機。
除以上3種材料之外，近年來也有多種凝膠狀的細胞材料、水凝膠材料問世，適用于化學交聯固化和氣壓擠出成型工藝的三維打印機。
思考
觀察下列的三維打印產品（如圖2-8所示）（參見教材P21），你認為它們是用什么材料制作的？可能用到哪一種成型工藝？
二、材料的特點和應用
為了打印出能維持三維結構的立體實物，三維打印使用的原材料需要具備特殊的理化性質，如機械強度高、耐高溫、耐腐蝕等特性。以下是目前常用的三維打印材料。
聚乳酸（PLA）：PLA是一種常用的打印材料，這種材料可以降解，十分環保，一般制成固態線材。PLA材料有多種顏色，并且還有半透明的紅、藍、綠等顏色以及全透明的材料（如圖2-9所示）（參見教材P21）。由于PLA材料從打印噴頭擠出之后需要立即凝固，因此打印噴頭的加熱溫度設定在比PLA材料熔點高1～2 °C為宜。不同型號的PLA材料可能存在理化性質差異。
光敏樹脂：又叫UV樹脂，一般為液態，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外光）引發劑（或稱為光敏劑），在一定波長的紫外光照射下可立刻引起聚合反應，完成固化（如圖2-10所示）（參見教材P21）。
陶瓷：陶瓷材料具有高強度、高硬度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性好等優異特性，陶瓷粉末適用于激光選區燒結加工，在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用（如圖2-11所示）（參見教材P22）。
金屬：金屬材料硬度高，成型后有較高的機械強度（如圖2-12所示）（參見教材P22）。金屬粉末適用于激光選區燒結加工。
三維打印的材料還在不斷地發展。除了上述常用的材料，其他的打印材料包括水泥、砂石、紙漿，目前都已有研究和應用，具有十分廣闊的應用前景。例如，用混凝土來打印房屋，初步實驗已經可以打印出小型建筑或建材部件，也有人研究用木材或者紙漿來打印家具，紙漿可以利用回收的廢紙加工獲得。
探究
1. 查閱學習資料，還有哪些材料可以作為三維打印的原材料？了解這些材料的特點和用途。
2. 三維打印材料和三維打印技術之間有什么聯系？
拓展閱讀
三維打印之后的四維打印
正當三維打印方興未艾之際，四維打印的概念已悄然躍入人們的視野。
四維打印，本質上是在三維空間的基礎上增加一個時間的維度，利用一種能夠自動發生變形的材料，只要給這種材料特定的環境條件（如溫度、濕度、光照等），就能使它按照設計自動地定時折疊成相應的形狀（如圖2-13所示）（參見教材P23）。
四維打印最關鍵的不再是成型工藝的創新，而是在于“智能材料”的發展，目前主要的研究方向是“記憶材料”和“生物合金”。四維打印有廣闊的應用前景，如利用四維打印，未來的防彈衣可能會變得小巧輕薄，便于儲存和攜帶，不增加士兵的負重就可以提供全面的防護。
課后作業
習 題
三維打印的原材料利用率很高，但也會產生少量的廢棄物。如制作懸空、鏤空結構的模型時，我們需要添加支撐結構，在打印完畢后再將支撐結構去除。有人設計制作了一臺廢料粉碎機和一臺簡易拉絲機，將廢棄的材料收集后用廢料粉碎機碾碎，再倒入拉絲機中熔化塑形，拉出線材，實現廢料的再利用。
這則案例給了你怎樣的啟發？通過本節內容的學習，你覺得還有哪些方法可以讓三維打印制作變得更加節約環保？
板書設計
第二章 三維產品技術分析
第二節 三維打印的材料
一、材料的類型
二、材料的特點和應用
通用技術
選擇性必修11：產品三維設計與制造
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：黃文華 歐陽漢斌
本冊副主編：李鑒軼 關穎健
編 寫 人 員：利時雨 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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