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
第三章 三維模型設計
第三節 模型切片處理
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.掌握 Cura 軟件的安裝及相關參數的設定。
2.能使用 Cura 切片軟件對三維數字模型進行分層切片。
3.了解切片路徑規劃及切片文件格式。
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:
掌握 Cura 軟件的安裝及相關參數的設定。
能使用 Cura 切片軟件對三維數字模型進行分層切片。
了解切片路徑規劃及切片文件格式。
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　第三章 三維模型設計　第三節 模型切片處理。
三維數字模型是三維打印制作立體實物的基礎，獲取三維數字模型的方式有很多種，其中軟件建模是最基礎、最常用的，掌握了軟件建模的方法，就能隨心設計自己的創意模型了。但是三維打印機無法直接識別這個模型，還需要對三維數字模型進行切片，即將模型分成一層一層的截面，才能指導打印機進行逐層打印。可見三維數字模型的切片設置對打印十分重要，不僅關系到成型質量的好壞和打印效率的高低，甚至還關系到打印的成敗。
本章我們將學習三維數字模型的設計及其切片處理，為自己動手制作三維產品打下基礎、做足準備。
一、認識切片軟件
有了三維數字模型，我們還需要把三維數字模型用切片軟件切成一層層的薄片，設置好參數（層高、打印速度、填充密度等）并生成GCODE格式的文件，這樣三維打印機才能識別并使用。合理設置切片參數，不僅能提高打印的成功率，還能提高打印的效率和成型的質量。
切片軟件有很多，常用的有Simplify3D、3D Slicer、Cura等。有些建模軟件自帶切片功能，可以輸出GCODE格式的文件，如UG、SolidWorks等。
下面我們以Cura軟件為例，向大家介紹切片軟件的使用方法。
安裝軟件，選擇可識別的模型文件格式和三維打印機型號。
安裝完畢后打開軟件進入切片參數設置界面（如圖3-35所示）（參見教材P48）。
層高：指每層打印的高度，是決定側面打印質量的重要參數，最大層高不得超過噴嘴孔徑的80%。一般默認參數是0.1 mm，可調范圍為0.1～0.3 mm。
外殼厚度：指模型側面外壁的厚度，一般設置為噴嘴孔徑的整數倍。默認參數是1.0 mm，可根據需要調整。
開啟回抽：指當噴頭打印到物體邊緣的時候，回抽一小部分耗材，以防出現拉絲現象，可以提高物體表面的光滑度。
底部/頂部厚度：指模型上面、下面的厚度，一般為層高的整數倍。默認參數為0.6 mm，可根據模型需要調整。
填充密度：指模型內部的填充密度。默認參數為20%，可調范圍為0～100%。0為全部空心，100%為全部實心。
打印速度：指打印時噴頭的移動速度，也就是吐絲時的運動速度。默認速度為50.0 mm/s，可調范圍為25.0～150.0 mm/s。建議打印復雜模型時使用低速，打印簡單模型時使用高速，一般使用30.0 mm/s即可，速度過高容易引起送絲不足的問題。
打印溫度：指熔化耗材的溫度，不同材料的熔化溫度不同，默認為190 °C，PLA材料一般設置為210 °C，ABS塑料一般設置為230 °C或更高。
思考
各切片參數與打印效率和成型質量有什么關系？產品設計要求與切片參數有什么關系？
支撐類型：指打印有懸空部分的模型時可選擇的支撐方式，當中有“接觸平臺支撐”“全部支撐”“無”三個選擇，默認為“無”。
選擇“接觸平臺支撐”后，軟件默認需要支起來的懸空部分會自動建起支架提供給工作平臺。圖3-36（參見教材P49）是一個心形的模型，開啟“接觸平臺支撐”功能后，圖中所示的紅色方形連片區域就會在打印過程中自動生成支撐。
選擇“全部支撐”類型后，模型懸空的部分都會創建支撐。圖3-37（參見教材P49）中所示的紅色方形連片區域就會在打印過程中自動生成支撐。
為了后期處理模型支撐方便，打印有懸空的模型一般選擇“接觸平臺支撐”。
添加了支撐的產品打印成型后如圖3-38（參見教材P50）所示，需要進一步去除支撐再稍加打磨。
線材直徑：設置線材的直徑大小，實際測量后取平均值。實際值與產品標注值相比，一般會偏小一些。設置小一點的直徑會讓擠出量增多，不易虛絲，但是出絲過多，會導致模型表面變形。
流量：指出絲比例，可以設置擠出量相對于缺省值的百分比，如果打印機已經是校正好的，就不需要調整了。增加出絲比例和減小線材直徑的效果一樣。
高級設置和專家設置如圖3-39（參見教材P50）所示，在這兩個對話框中，有更豐富的設置項，在這里可以對打印過程中的細節進行進一步設置。
立即行動
前面我們已經得到了心形水杯的STL文件，在進行三維打印之前，讓我們先一起完成模型切片。
1. 用Cura軟件將STL文件打開，并對打印參數進行設置（如表3-2所示）。
表3-2 心形水杯模型切片參數設置
參數項 參數值
層高 mm
外殼厚度 mm
開啟回抽 是□ 否□
底部/頂部厚度 mm
填充密度 %
打印速度 mm/s
打印溫度 °C
2. 點擊模型時，右側窗口的左下角會出現可以設置模型的擺放位置和尺寸大小的按鈕（如圖3-40所示）（參見教材P51）。
3. 設置完成后，保存為相應格式的文件，等待軟件進行切片（如圖3-41所示）（參見教材P51）。
4. 切片完成后，通過界面右上角的按鈕可以查看切片的各層數據（如圖3-42所示）（參見教材P51）。
思考
經過切片的模型在Cura軟件中可以根據層數觀察每層的切片效果，你認為這些不同顏色的區域代表著什么？根據三維打印技術的特點，分析心形水杯切片是否需要添加支撐。
二、切片分層與文件格式轉換
當模型切片完成后，我們可以查看切片各層的視圖，如圖3-43（參見教材P52）是心形水杯底層的視圖。
其中，紅色部分代表模型外殼的表面，綠色部分代表外殼的內部，這兩部分一同組成模型的外殼。黃色部分是需要填充材料的實體部分。
除了紅色、綠色、黃色部分，各層視圖中還有藍色的線條，這個線條表示的是什么呢？
當打印噴頭完成一側的打印后，將暫停擠出材料，移動到另外一側繼續打印。在層視圖中，打印噴頭暫停打印并變換打印位置的路徑，就是用藍色線條表示的。噴頭打印路徑若與紅色、黃色、綠色區域重合，則不作顯示。路徑規劃（如圖3-44所示）（參見教材P52）并不需要用戶自己設置，而是軟件根據算法自動計算出來的，所以Cura軟件中并沒有這方面的參數設置選項，我們僅可以在切片完成后的分層模式下觀察到噴頭的路徑規劃。
觀察圖3-45（參見教材P52），在打印水杯把手時，因為把手圓環和杯身有一段距離，所以打印噴頭分別打印了這些部分后，會暫停打印，停止擠出材料，將打印噴頭移動到下一個打印位置后，再次開始工作。同理，在打印工作完成后，打印噴頭需要復位，此時噴頭停止擠出材料，然后移動到待機位置。
三維數字模型經過切片處理后，就被賦予了打印參數，文件格式也轉換為GCODE，三維打印機就可以根據設定的參數進行打印制作了。
思考
打印效率或打印質量跟路徑規劃有關嗎？
知識窗
如果使用文檔軟件打開GCODE文件，可以看到許多功能代碼和坐標代碼，實際上GCODE文件就是涵蓋了切片模型每一層打印方式（包括噴頭工作方式、噴頭移動路徑）的代碼指令的文件。對于Cura等簡易切片軟件，不具有讓用戶自行設定切片路徑規劃的功能，但用戶可以編輯修改切片后生成的GCODE文件，實現自行規劃打印路徑。
不同的三維打印機可識別的文件格式可能不同，常用的格式有GCODE和X3G，其中GCODE是較為通用的切片文件格式。X3G是Makerbot系列三維打印機使用的格式，用作脫機打印，可以用Makerware軟件生成，其參數設置方法如下：
1. 打開Makerware軟件，選擇ADD FILE導入STL或OBJ模型。
2. PRINT SETTINGS設置打印參數。
（1）在Quality菜單中設置打印質量：填充率可調范圍為0～100%，0為空心，100%為實心；層厚一般設置為0.1～0.2 mm；外殼厚度一般設置為2 mm。
（2）在Temperature菜單中設置打印溫度：打印噴頭溫度一般設置在190～230 °C，熱床溫度一般設置為60 °C。
（3）在Speed菜單中設置打印速度：一般設置為20～30 mm/s。
3. 選擇EXPORT PRINT FILE開始切片，切片完成后導出X3G格式文件。
學習評價
　　　　　　　　　評價內容 評價方式
自評 互評 師評
理解STL文件的特點，知道三維數字模型的主要獲取方式及其特點，能根據產品需求選擇合適的獲取途徑
掌握建模的思路，能對模型結構進行分析
熟悉Autodesk 123D Design軟件的各項功能，能構建簡單的模型并能對其進行優化、渲染
了解將三維數字模型轉換成二維機械加工圖的方法
了解三維數字模型的測試方法及其意義
理解主要切片參數和路徑規劃的意義，能使用切片軟件對三維數字模型進行切片
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. 使用Cura對三維數字模型進行切片后，軟件會根據模型和切片參數計算出打印所需的時間。以熔融沉積成型三維打印機為例，你認為，為了節省產品制作的時間，提高打印速度，可能會對成型質量造成什么影響？改變層高，又可能會有什么影響？
2. 打印一個如圖所示的滑板，模型放置的方向會影響打印速度和打印質量嗎？為什么？
板書設計
第三章 三維模型設計
第三節 模型切片處理
一、認識切片軟件
二、切片分層與文件格式轉換
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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