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
第一章 三維打印原理
第二節 三維打印技術的基本原理
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.了解熔融沉積成型三維打印機的運行原理、應用領域和所受到的技術限制。
2.掌握正確、安全操作三維打印機的方法。
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:
了解熔融沉積成型三維打印機的運行原理、應用領域和所受到的技術限制。
掌握正確、安全操作三維打印機的方法。
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　第一章 三維打印原理　第二節 三維打印技術的基本原理。
建設制造強國是我國實現高質量發展的重要戰略。三維打印技術屬于增材制造技術，至今才發展了30多年，卻使傳統制造業發生了翻天覆地的變化，實現了制造方式從等材、減材到增材的重大轉變，形成了一種全新的制造模式。
等材、減材、增材，同學們對這三個名詞可能不是很熟悉。舉個例子，打鐵匠將一塊金屬反復敲打、鍛造成工具或兵器，這塊金屬在制造前后體積、質量幾乎相等，這屬于等材制造；雕刻家把一塊巨型巖石反復雕刻打磨，鑿出許多碎石，巖石最后成為精美的雕塑，但體積、質量都減少了，這屬于減材制造。
什么是增材制造呢？三維打印技術是如何實現增材制造的？它又經歷了怎樣的發展歷程？讓我們通過本章的內容，一起來學習吧。
一、概念和原理
三維打印技術是以軟件建模、三維掃描等方式獲取的三維數字模型為基礎，通過軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由三維打印機的數控成型系統利用光照、加熱等方式將粉末狀、液狀或絲狀的材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出三維實物的技術，屬于增材制造技術。而傳統制造是通過削、鉆、銑、磨等工藝，把一塊原材料雕刻打磨成體積更小的部件，屬于減材制造技術。這兩者的制作加工方法是截然不同的。
三維打印機的運行過程類似于傳統的打印機，只不過傳統打印機是把墨水打印到紙上形成二維的平面圖紙，而三維打印機是把可黏合材料層層堆積疊加形成三維實體；三維打印機與傳統打印機最大的區別在于工作的維度，三維打印機不僅能夠在平面上工作（X軸、Y 軸），還可以在立體空間內工作（X 軸、Y 軸、Z 軸），通過將許多薄層不斷疊加的方式形成立體產品。
二、特點和優勢
傳統的產品設計與制造需要經過設計、開模、鑄模、組裝等工序，往往耗時長、成本高，難以滿足顧客的個性化需求。相比之下，三維打印具有多項傳統制造工藝無法比擬的優勢，例如：
（1）三維掃描儀和三維建模軟件可以實現對物體外形的精確復制。
（2）三維建模軟件能夠快速地完成產品設計，且編輯修改便捷。
（3）三維打印可以制造出傳統工藝難以制造的、結構復雜的部件。
（4）一體成型無須組裝，某幾種材料也可以共同組合打印。
（5）無須模具，制造交付時間短。
（6）原材料利用率高，減少廢棄物和副產物的產生。
案例
“渾然一體”的新汽車
福特汽車公司的創始人亨利·福特被譽為“給世界裝上輪子的人”，他在1913年建立了世界上第一條汽車生產流水線，將每輛汽車的組裝時間由原先的750分鐘縮短到90分鐘，生產效率大大提高了（如圖1-14所示）（參見教材P8）。汽車生產流水線上的裝配參數是統一的，一輛汽車通常有20 000～30 000個零件，組裝工
復雜。那么如果想要私人定制一款汽車，通常只能靠人工組裝，因此造價高昂。
三維打印技術應用到汽車制造行業，則巧妙地解決了定制成本高這一問題。2016年，我國增材制造國家研究院研發出一款電動汽車WLC-1（如圖1-15所示）（參見教材P8）。WLC-1的發動機和底盤采用傳統工藝和金屬材料制造，其他大部分零件都是采用復合材料經三維打印而成，這些零件都可以進行個性化定制。這輛汽車由約100個零部件組成，設計、打印、組裝、調試共花費了數十天，而傳統汽車僅研發過程就需要3～5年的時間。
討論
三維打印技術還有哪些優勢？它是一種節能降碳的制造技術嗎？
三維打印技術的特點和優勢非常突出，許多傳統的制造工藝都無法企及。但就三維打印技術的發展現狀而言，也存在著一些局限性，包括：
（1）可用于三維打印的材料種類相對有限。
（2）產品精度、理化性能尚難以完全滿足工程需求。
（3）難以進行大規模生產，制作成本高，制作效率低。
探究
請組織一場班級內的辯論賽，就“三維打印技術能否取代傳統制造業”進行辯論，并記錄辯論過程和結果。
三、三維打印的流程
三維打印技術雖然種類多樣，但是原理和實施流程都基本一致，實施流程主要分為4個步驟（如圖1-16所示）（參見教材P9）。
分層打印，逐層疊加獲取三維數字模型 切片處理 逐層三維打印 產品后處理獲取三維數字模型：首先，我們需要獲取作為打印模板的三維數字模型。模型可以通過軟件建模、三維掃描、網絡下載、數據轉換重建等方式獲取，其文件通常是STL格式。
切片處理：三維數字模型在打印前，還需要對其進行分層切片處理，將模型沿水平面分成若干層，并設置三維打印機的工作參數，如打印層高、打印速度、打印溫度等，設置完成后通常導出GCODE格式的文件。
逐層三維打印：三維打印機的工作過程是分層打印、逐層疊加，最終形成立體產品。
以熔融沉積成型三維打印機為例，打印機接到打印指令后，打印噴頭移動到指定位置將高溫熔化的耗材擠出，通過噴頭的水平移動完成一個薄層的打印，擠出的耗材逐漸降溫凝固。然后噴頭上升（或工作臺下降）一層面的高度，在上一個薄層的基礎上打印新的薄層。如此重復，逐漸打印出立體結構。
產品后處理：打印完成后，一個完整的產品就會呈現在我們眼前，此時打印工作還未完全結束，根據產品的表面質量或模型結構，還可能用到去支撐、打磨、上色、拼接、組裝等后處理工序（如圖1-17所示）（參見教材P9）。
四、常用的三維打印機
各種品牌、型號的三維打印機數不勝數，為用戶提供了豐富的選擇空間，三維打印機的種類一般按成型工藝劃分。在這里，我們以一款常見的熔融沉積成型三維打印機為例，為同學們介紹三維打印機的基本結構和操作方法。
思考
如果我們想要自己組裝一臺熔融沉積成型三維打印機，需要用到哪些部件呢？這些部件各起什么作用？
1. 打印機的結構
熔融沉積成型三維打印機主要由打印噴頭、送絲機、散熱風扇、驅動電機、工作平臺、數控設備和觸摸顯示屏等部件組成。
打印噴頭：起到熔化材料的作用，由發熱塊和噴嘴（如圖1-18所示）（參見教材P10）組成。打印噴頭有加熱功能，能夠升溫熔化材料并將半流體材料從噴嘴細孔擠出。
送絲機：起到運送材料的作用（如圖1-19所示）（參見教材P10）。用兩個齒輪夾住材料，齒輪轉動并將材料不斷送入打印噴頭中。噴頭擠出材料的速度由送絲機齒輪的轉動速度控制。送絲機和打印噴頭通常都是組合在一起的。
散熱風扇：起到為送絲機和材料降溫的作用。防止送絲機長時間高溫工作而造成損壞，也可以讓噴頭擠出的材料快速凝固成型。
驅動電機：起到帶動打印噴頭和平臺移動的作用。三維打印機工作時，打印噴頭需要不斷在 X 軸、 Y 軸方向移動，平臺需要在 Z 軸方向移動，這就需要3個驅動電機帶動，通常使用步進電機作為驅動電機。
從圖1-20中可以看到以上幾個部分，三維打印機里面橫向和豎向各有數根管子，驅動電機轉動的時候，有螺紋的金屬桿就會帶動打印噴頭移動或工作平臺升降，其他的管子則用于控制部件平穩移動。最下面的是承載打印產品的工作平臺。
數控設備和觸摸顯示屏：用于控制三維打印機的操作（如圖1-21所示）（參見教材P11）。早期的三維打印機需連接計算機，目前大部分的三維打印機已經具備了脫機打印的功能，只需要將數據復制到便攜式存儲器，再通過SD卡槽或USB接口連接到三維打印機（如圖1-22所示）（參見教材P11），就可以通過觸摸顯示屏進行打印操作了。
2. 打印操作
在打印前，應預先閱讀三維打印機的說明書，檢查噴頭是否通暢、零件是否有損壞、線路是否連接正常、平臺是否校準等。要注意三維數字模型切片處理時設置的打印參數不應超過打印機可執行的范圍。打印時，如果出現設備溫度過高、打印聲音異常的情況，要立刻關閉電源并檢查設備。
一般的打印操作步驟如下：
為打印機裝載打印材料，從機箱側面抽出一段材料，接入送絲機（如圖1-23所示）（參見教材P12）。
在主界面中選擇“預熱”，進入“預熱”控制界面，可給噴頭和工作平臺升溫預熱，圖1-24（參見教材P12）黃色部分顯示的是噴頭當前的溫度和目標溫度，“20”是指噴頭當前的溫度，“210”是指噴頭加熱的目標溫度，目標溫度可以通過點擊觸摸屏中的“增加”“減少”按鈕進行修改。
在主界面中選擇“擠出”，進入“擠出”控制界面，圖1-25（參見教材P12）黃色部分顯示的是噴頭當前的溫度和材料擠出長度，當溫度加熱到預設的210 °C時就可以按下“進料”按鈕，看到熔化的材料從噴嘴擠出，表示機器已經做好了打印的準備。
在主界面中選擇“打印”，進入“選擇文件”控制界面，在顯示的數據文件中，選擇想要打印的模型，按下“確定”按鈕，三維打印機開始打印工作（如圖1-26所示）（參見教材P13）。
打印完成后，將產品從工作平臺上取下，清理工作平臺并關閉三維打印機。
三維打印機的日常保養維護也是非常重要的，打印機檢查項目有：噴頭是否堵塞，零部件是否松動或損壞，工作平臺貼紙是否需要更換，等等。
常見的熔融沉積成型三維打印機的運行原理、設備結構、打印材料等和文中介紹的基本一致，部分細節可能會有所不同。
立即行動
了解你使用的三維打印機的常見故障及解決辦法。
思考
李老師是一位體育老師，經常需要用哨聲來代替口令，哨子是他工作中不可或缺的工具。最近他有一個小煩惱，他的哨子聲音太刺耳了，而且外觀一樣的哨子很容易和其他班級老師的哨子弄混。
你覺得運用三維打印技術可以幫助李老師解決遇到的難題嗎？要解決該難題，還需要掌握哪些知識？
學習評價
　　　　　　　　　評價內容 評價方式
自評 互評 師評
了解三維打印技術的產生和發展歷史
對三維打印技術給自然以及人類生產、生活方式產生的影響有親身感悟
理解三維打印技術的特點、優勢和局限性
理解三維打印技術的原理和實施流程
認識熔融沉積成型三維打印機的主要部件和功能
能正確、安全地操作三維打印機
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
三維打印機的結構是多種多樣的，請觀察下面的3臺三維打印機，試說出它們的打印噴頭和工作平臺在空間直角坐標系中的移動方向。
你認為打印噴頭和工作平臺的移動方式會影響產品成型的速度或精度嗎？
板書設計
第一章 三維打印原理
第二節 三維打印技術的基本原理
一、概念和原理
二、特點和優勢
三、三維打印的流程
四、常用的三維打印機
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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