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
第三節 三維打印的制造方案
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.能結合三維打印的成型工藝特點，對設計的產品進行技術分析。
2.能根據產品要求制訂合適的制造方案。
3.學會通過對比、權衡、優化，確定最佳的制造方案。
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:
能結合三維打印的成型工藝特點，對設計的產品進行技術分析。
能根據產品要求制訂合適的制造方案。
學會通過對比、權衡、優化，確定最佳的制造方案。
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　第三節 三維打印的制造方案。
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。
一成型工藝的選擇
三維打印的成型工藝和材料多種多樣且各有特點，當應用三維打印技術來設計和制造立體實物時，我們肯定不希望得到的產品存在瑕疵甚至無法使用，也不希望大材小用浪費資源。
要在一定的條件下獲得滿意的產品，就需要我們在打印前精心設計出合理的制造方案。
案例
我國的鐵路網絡非常發達，部分列車要行駛數千公里跨越數十個城市才到達終點站，這么長距離的行駛對火車零件的性能要求非常高，零件需要具備較高的強度、韌性、耐磨性，并能承受沖擊振動。
連接火車車輪與傳動連桿的銷軸，曾經是通過調質處理工藝進行加工的，這種工藝提高了銷軸的韌性，但降低了硬度。銷軸在火車長距離的行駛中會造成劇烈磨損，容易導致零件間隙增大而配合失效，甚至可能引發銷軸斷裂的安全事故。
后來，經過專家的討論分析，針對零件的用途和工作環境，換了另一種工藝進行處理——通過表面淬火處理來強化銷軸表面的硬度，同時保持了銷軸芯部的韌性。這樣一來，經過表面淬火處理的銷軸在行駛中的磨損大大減少。
思考
上述案例給了我們什么啟示？在制訂三維打印的制造方案時，我們應當遵循什么樣的原則？
討論
如果在資金充足的條件下，普通用途的產品選用具有高強度的鈦合金材料進行三維打印制造，是否可??？
不同工藝的三維打印技術，其制造時間、制造成本、難易程度大相徑庭，不同的產品又有不同的使用要求，那么怎樣制訂三維打印的制造方案才是最合理的呢？一般地，我們可以從三維打印的成型工藝和產品的設計要求這兩個方面來考慮，當兩者相符了，才可能制造出符合預期的產品（如圖2-14所示）（參見教材P25）。
三維打印技術有多種成型工藝，每種成型工藝又對應不同的三維打印機類型，不同成型工藝的三維打印機，其設備成本、運行成本、適用范圍和使用的材料都是有區別的（如表2-2所示）。
表2-2 成型工藝的特點對比
三維打印技術 設備成本 運行成本 適用范圍 所用原料
光固化立體成型 較高 材料利用率較高，設備運行成本高 制作結構復雜、高精度的產品 光敏樹脂
熔融沉積成型 較低 材料利用率高，設備運行成本低 制作結構簡單、低精度的產品 熱塑性材料，如PLA、聚丙烯等
激光選區燒結 昂貴 材料利用率高，設備運行成本居中 制作鑄造用模具、功能部件等 金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末、蠟等
不同的成型工藝對應不同的打印材料，一種打印機還可能適用于多種材料。因此我們應該根據產品的用途、材質要求、材料成本選擇適合的打印材料（如表2-3所示）。
表2-3 三維打印材料的特性對比
三維打印材料 材料成本 材料特性
PLA 較低 生物可降解材料，光澤性好，有多種顏色可選用
光敏樹脂 中等 半透明狀材料，防水、低氣味、低刺激成分
鈦合金粉末 較高 強度高、耐腐蝕，生物相容性好
尼龍粉末 中等 密度小，耐磨損，抗拉伸強度高
綜上所述，對于三維打印成型工藝的選擇，需要從成型精度、打印速度、材料特性、制作成本等多方面綜合考慮，做到資源的合理配置和使用。
二、產品的設計要求
產品的設計要求也是在制訂方案時需要著重考慮的。
三維打印是以三維數字模型為模板進行制作的，如何更便捷地獲得高質量的三維數字模型，直接關系到制造的難易程度和效率（如表2-4所示）。
表2-4 模型獲取方式對比
獲取方式 案例 關鍵工具 優點 缺點
網絡下載 制作一個玩具機器人模型，對細節沒有特殊要求 網絡模型庫 檢索簡單，下載快速、便捷 可能無法找到理想的模型，模型下載可能需要付費
三維掃描 對破損的文物雕像進行三維重建 三維掃描儀 較快速、準確地復制模型 細節呈現可能存在偏差、對空心和孔洞結構難以重建
軟件建模 制作一個新型的復雜零件 三維建模軟件 準確體現設計思想、精確把握細節 耗時長
在三維打印過程中，三維數字模型擺放位置的改變，也會影響打印的效率和成型的效果。如圖2-15（參見教材P26），該圓筒模型如果直立擺放，打印需要3 h左右，而將該模型水平擺放，打印耗時則可降至1 h左右。通常來說，打印機噴頭在水平面移動的速度較快，工作平臺在垂直方向的移動速度較慢。我們在擺放三維數字模型時可選擇切片層數較少的擺放方式， 以減少打印制作的時間。
但我們可以注意到，雖然水平擺放的圓筒模型打印時間縮短了，但是圓筒內部添加了一些柱狀的支撐結構，以防止模型的懸空部分塌陷變形。這些支撐結構在打印結束后是需要手工去除的。
討論
去除支撐結構時可能會有支撐殘留造成表面粗糙，還有可能破壞產品主體。進行三維打印制作時，你認為減少打印時間和減少支撐結構，哪個更加重要？
此外，不是所有三維數字模型都能夠成功制作出實物的。圖2-16（參見教材P27）是一個悖論圖形，即僅存在于二維圖形，在三維空間中是不可能存在的形狀，此圖的三維效果實際上是一種視覺錯覺（如圖2-17所示）（參見教材P27）。
除了設計本身外，還有一些原因會導致打印制作失敗。例如：模型文件本身存在錯誤、模型尺寸與打印機不匹配、模型細節過于精細導致打印機無法表達等。對于這些問題，有一些可以通過更換材料、更換精度更高的打印機來解決，有一些則需要對三維數字模型做調整。
綜上所述，制訂三維打印制造方案，需要從產品用途、成本、材料、工藝、三維模型獲取方式等多個方面進行綜合考慮。只有明確產品需求，選擇合適的材料和工藝，才能打印制作出理想的產品。
三、設計你的三維打印制造方案
案例
鈦合金材料因其密度小、強度高的特點，而被廣泛應用于航空航天領域。但是汽車產品則較少會考慮使用這種材料，因為鈦合金昂貴，且能夠打印鈦合金的三維打印機的價格和維護成本都比較高，比光固化立體成型、熔融沉積成型的打印機還要高出不少。
汽車行業的三維打印，人們傾向于使用ABS塑料和碳纖維材料，這種材料密度小、價格低。圖2-18（參見教材P27）中的這臺三維打印汽車大部分的零件都是采用ABS塑料及碳纖維打印出來的，這不僅減輕了車身重量，而且減少了零件數量，簡化了汽車組裝的工序，提高了性能，還大大降低了制造成本，配件也容易制備，可即打即用。
思考
這個案例對于我們制訂三維打印制造方案有什么啟示？
實踐活動
用三維打印技術制作一枚哨子，你會選用什么材料，選用哪種打印機，如何設計其制造方案呢？有名同學已經有了初步的三維打印制造方案（表2-5中的方案一），你覺得他的方案合理嗎？請你查閱資料，了解相關知識，設計自己的三維打印制造方案，并與這名同學的制造方案進行比較，完成表2-5。
表2-5 制造方案的設計與選擇
項目 方案一 方案二 方案三
數字模型來源 三維掃描獲取
選用成型工藝 激光選區燒結
選用原材料 聚乳酸
產品后處理 打磨拋光
產品性能
制作難度
制作時間
制作成本
失敗風險
最終方案
選擇原因
學習評價
　　　　　　　　　評價內容 評價方式
自評 互評 師評
理解光固化立體成型、熔融沉積成型三維打印技術的原理和特點
知道三維打印材料的分類，了解主要三維打印材料的特點
知道不同成型工藝所對應的三維打印材料類型
了解三維數字模型的獲取途徑
知道在制訂三維打印制造方案時，需理解和分析產品的設計要求
能根據產品設計要求和成型工藝要求，制訂、比較、權衡、優化三維打印制造方案
說明：A—優秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養得到了哪些發展？
課后作業
習 題
1. 如果要制作一件產品，選擇三維打印技術一定比采用傳統工藝制作更高效、節約嗎？在什么情況下我們應該選用三維打??？
2. 結合本節內容，嘗試梳理三維打印制造方案的設計流程，探討在設計不同產品的制造方案時應考慮的因素。
板書設計
第二章 三維產品技術分析
第三節 三維打印的制造方案
一、成型工藝的選擇
二、產品的設計要求
三、設計你的三維打印制造方案
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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