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
第四章 三維打印技術應用
第 二 節 三維打印的應用現狀與技術延伸
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.了解三維打印技術在各個領域中的應用。
2.了解三維打印行業的發展現狀。
3.了解逆向工程、智能制造技術在產品設計和制造中的作用。
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:
了解三維打印技術在各個領域中的應用。
了解三維打印行業的發展現狀。
了解逆向工程、智能制造技術在產品設計和制造中的作用。
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　第四章 三維打印技術應用　第 二 節 三維打印的應用現狀與技術延伸。
在前面的學習中，我們已經掌握了三維打印的原理、三維打印機的操作、制作方案的設計、模型獲取的方式、模型切片等必備知識，現在離制作自己的創意作品只有一步之遙了。
本章內容中，我們將一起構建一個嵌入式一體化結構和一個簡單組裝結構的三維數字模型，并將其打印成真實的物體，再對物品進行后處理，最終得到成熟的產品。以此全面熟悉并掌握三維打印技術，進而了解三維打印這項新技術在眾多行業中的應用和延伸。
希望同學們通過本章內容的學習，全面掌握三維打印各個實施環節的必要技能，充分發揮想象力，讓三維打印技術成為我們將創意靈感轉化成實物的得力助手。
一、三維打印在各領域的應用
經過前面的學習與操作，我們已經可以把自己的創意想法變成現實，成為一位名副其實的三維創客了。三維打印技術的應用遠遠不只是設計哨子、臺燈這些小物件，實際上，小至精細的珠寶，大至龐大的飛機，都已經用上了先進的三維打印技術。三維打印相關的產業規模不斷擴大，技術發展也愈加成熟。
1. 工業制造領域
三維打印技術最早應用于工業制造領域，經過多年的發展，其優勢越來越突顯，已得到廣泛的認可，主要應用在模具制造、汽車制造和航空航天領域。
以鑄造砂和型砂黏結劑為原材料，經過三維打印，可得到強度高、耐高溫的模具。三維打印技術用于模具制造，不僅可以降低成本、縮短周期，還可以提升新品設計的靈活性
三維打印技術近年來廣泛應用于汽車制造業，能快速更改設計差錯、降低開發成本、簡化生產環節、提高生產效率，為低成本的汽車定制提供了可能。三維打印機還能用來修復受損的汽車零件，甚至可以直接打印緊缺的汽車零件，從而可減少備件庫存和備件資金占用等（如圖4-48所示）（參見教材P82）。
利用三維打印技術制造航空器的重要零部件也已進入實用階段。與傳統制造相比，三維打印制造具有費用低、周期短的優勢，零件性能甚至可能超越傳統制造的鍛造件。
案例
我國走在世界前沿的金屬三維打印技術
鈦合金具有密度小、強度高、耐腐蝕、低阻尼、可焊接、使用溫度范圍寬等優點，用于制作航空航天飛行器，可以實現飛行器的輕量化和綜合性能的提高。
北京航空航天大學運用激光快速成型技術，先后制造出TA15鈦合金結構件（如圖4-49所示）（參見教材P82），并通過飛機應用試驗，零件性能比鍛造件還要高出20%。2017年5月5日14時，搭載了這種鈦合金結構件的客機C919完成了它的首飛。這架我國自行研制、具有完全自主知識產權的噴氣式大型客機在上海浦東國際機場第四跑道一飛升空直上云霄；79分鐘后，飛機穩穩降落，現場人群發出熱烈的歡呼聲。這不是一次普通的起飛，它不僅代表了一個型號飛機的研制成功，還意味著中國航空工業和三維打印技術的起飛——中國由此實現了民用航空技術的突破，以及具備了世界領先的金屬三維打印核心技能。
思考
1. 為什么迄今為止，還不能完全用三維打印技術來制造載人飛機呢？在航空航天制造中，三維打印技術存在哪些不足？
2. 我國還有哪些走在世界前沿的三維打印技術？
2. 醫療領域
三維打印技術在醫療領域的應用研究在不斷深入，臨床試驗也在持續推進。目前已成功應用于三維打印模型輔助手術實施、打印義肢和植入物、研制新藥等方面，打印器官或組織也已取得階段性的成果。三維打印在通過科技創新來提高醫療水平中發揮著重要作用。
2014年，湖南湘雅醫院利用數字化醫療三維設計系統，對影像學數據進行三維建模，獲得病變器官的三維數字模型，通過三維打印制作病變器官的模型，將一名患者的復雜顱底腫瘤及周圍組織等比例打印出來，以此對手術進行輔助干預設計，最終將患者顱內的復雜腫瘤精準完整地切除，手術十分成功（如圖4-50所示）（參見教材P83）。
除了臨床醫學，制藥行業也用上了三維打印。
2015年，一款三維打印藥片獲得了美國食品藥品管理局的批準。這種口服藥叫作左乙拉西坦，可用于治療癲癇疾病。有些癲癇病人發病時會伴有吞咽藥片障礙，該藥片創新地設計為一種多孔結構，只需一小口液體就可以在4秒內溶解，大大提升了服藥的舒適度（如圖4-51所示）（參見教材P83）。
近年來生物三維打印這個概念逐漸進入人們的視野。特殊的生物三維打印機以生物材料、細胞溶液為原料，在數控軟件控制下可精確地打印制造出人造骨骼、軟骨、皮膚等組織和肝臟、腎臟等器官模型，以修復和替換由于外傷、疾病造成的功能受損的組織或器官（如圖4-52所示）（參見教材P83）。
討論
1. 三維打印活體器官可能實現嗎？未來三維打印器官的技術成熟了，會給人們的生活帶來什么影響？
2. 三維打印器官能代替人體器官嗎？人類是否可以長生不老了？
3. 建筑領域　
傳統的建筑建造過程速度慢、成本高，并且施工危險、勞動強度大。隨著技術的改進，三維打印技術已經不僅可以打印各種形狀的房屋部件，甚至有能力打印一整棟房屋，大大提高了建造房屋的效率，并且減輕了工人的勞動強度。
2014年1月，中國首批使用三維打印技術建造的房屋亮相上海青浦，這些房子是由一臺高6.6 m、寬10 m、長32 m的巨型建筑三維打印機在24 h內打印出來的。房子的門窗位置是事先預留出來的，墻體使用特殊的“油墨”根據計算機設計方案逐層堆疊而成。“油墨”是經過加工處理的建筑垃圾，均已經過檢測達到安全標準，也完全符合環保和循環利用的理念（如圖4-53所示）（參見教材P84）。
思考
在實際的建筑建造中，三維打印技術的應用還有哪些局限性？
4. 珠寶首飾制造
千篇一律的珠寶很難滿足人們對美的追求，于是，個性化、定制化的三維打印飾品應運而生。2014 年，全球首款珠寶首飾三維打印機在香港珠寶首飾展上亮相，這款打印機采用金屬激光燒結技術，可以貴金屬為原材料打印珠寶首飾及高檔手表。
案例
圖4-54（參見教材P85）就是通過三維建模軟件設計，采用鋁合金材料進行三維打印，再經過打磨和拋光處理得到的一枚閃閃發亮的核桃形創意戒指。
5. 食品制造
在食品加工工業，三維打印技術悄然帶來了一場變革，三維食物打印機不但可以將配料和新鮮食材變成美味佳肴，還能讓食物擁有生動的造型和圖案，使食物煥發出另一番風采，受到越來越多人的歡迎。
案例
2015年幾個清華大學的畢業生合伙成立了一個三維打印煎餅店，用他們改
良的煎餅三維打印機，打印一張煎餅最快僅需2分鐘，而且圖案多樣，吸引了不少關注（如圖4-55所示）（參見教材P85）。
三維打印煎餅是不是非常有趣呢？其實它的原理很簡單，將常見三維打印機的工作平臺換為可加熱的鐵板，噴頭則裝載上和好的面漿，通過軟件控制噴頭的打印軌跡。先擠在鐵板上的面漿會呈深色，后擠上去的面漿由于加熱時間較短而呈淺色。
三維食物打印不僅可以在食物的外形上別出心裁，還可以根據不同人群的熱量需求和口味喜好量身打造食品，制訂個性化、參數化的營養配方，達到均衡營養、健康飲食的目的。因此，三維食物打印技術在不久的將來可能成為飲食領域發展的重要推動力。
討論
1. 你認為三維打印的食物和普通的食物相比，味道會有不同嗎？
2. 人們十分重視食品的安全衛生問題，你對三維打印的食物是否會有所顧慮？
6. 教育領域
教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。隨著三維打印技術的日臻完善，三維打印機已進入學校，開始在教育應用領域嶄露頭角（如圖4-56所示）（參見教材P86）。例如，三維打印機是很好的教學輔助工具，可打印出任意復雜結構的教學模型，培養同學們的空間能力；它也是同學們自主探索創新的工具，能夠將設計迅速、便捷地變成實物，營造真實的問題情境，提高同學們的自主學習、自主探究能力；等等。
三維打印技術作為新型教育理念的重要創新工具，受到了廣大師生乃至其他行業人群的廣泛關注和熱情支持，在創造活動中起到了積極的作用。
探究
許多行業都正在掀起一股三維打印的浪潮，你覺得三維打印技術還適用于哪些領域？未來三維打印技術可能會在哪些領域大顯身手呢？
二、三維打印技術的延伸
三維打印作為前瞻性的先進制造技術，受到世界各國的高度重視。近年來，我國的三維打印產業生機勃勃，設備、材料、服務等多方面均增長迅猛。
2016年，我國的三維打印設備安裝數量已達到全球數量的10%（如圖4-57所示）（參見教材P87），在設備、軟件、耗材等重要領域都研發出了擁有我國自主知識產權的先進產品，并且在文化創意、工業制造、生物醫學等領域取得突破，尤其是應用在航空航天領域的激光快速成型技術，已邁入世界頂尖行列。
三維打印技術在改進創新和擴大應用的過程中，不斷開發出工藝先進的設備、性能優異的材料、便捷智能的軟件，技術服務也在往專業化的方向發展。現階段的三維打印技術，在立體產品設計與制作的基礎上，已進一步延伸到多種相關應用領域。
1. 逆向工程
逆向工程是一種產品設計技術再現的過程，即對一款目標產品進行逆向分析和研究。
以汽車制造為例：正常情況下，要制造一輛汽車，首先要整體構思，如這輛汽車的動力性能、外形特點、內飾設計等，在確定了整體構思后再選擇合適的零部件，此為“正向工程”。逆向工程則恰恰相反，是對零部件進行掃描重構，將所有細節重現后，推導出原本設計的總體框架。逆向工程常用的工具就是三維掃描儀和三維重建軟件。
逆向工程最初用于商業、軍事領域中的硬件分析。隨著技術的進步和商業環境的變化，逆向工程也被廣泛應用在新產品的開發和設計中，這項技術可幫助企業縮短產品開發周期，降低新產品的生產成本等。逆向工程應用三維掃描來獲取掃描對象的外形特征，可以精確復制曲線和曲面，彌補三維建模在這方面的不足。在汽車制造領域，工程師通過逆向工程獲取現有汽車的外觀造型，并進一步設計修改，能加快新型汽車的外觀設計過程（如圖4-58所示）（參見教材P88）。
立即行動
請你用逆向工程的方法，獲取一個花瓶的模型并修改設計，然后打印出經改造過的花瓶。
2. 智能制造
智能制造的含義非常廣泛，總的來說，智能制造包含智能制造技術和智能制造系統兩個方面。隨著新一輪科技革命與產業變革的興起，智能制造成為全球制造業變革的重要方向和競相爭奪的制高點，發展智能制造是我國制造強國戰略的重要組成部分，三維打印則是加快發展智能制造的重要途徑。有專家認為，三維打印將成為傳統制造業轉型升級進入智能制造的助推器，有望在一定程度上改變傳統的工藝和流程。
傳統制造業的設計要同時考慮產品性能和工藝技術的可行性，一些復雜的設計構想用傳統工藝是無法制作出來的，因此性能指標必須向工藝技術妥協。但三維打印技術恰恰具有精確構建復雜結構的優勢，可以幫助設計人員在設計時從原來的以考慮平衡產品性能和制作工藝為主，轉變為以考慮突出產品性能為主，這有助于拓展他們的思維，激發他們的創意。
三維打印技術在不斷進步，信息技術、人工智能、高端裝備、新材料等也在飛速發展，先進技術的融合發展，為實現智能制造提供了無限的可能，我們可以設想，在不久的將來，工廠企業將變得更加自動化、智能化，生產設備都是先進的三維打印機，生產操作全交由具有人工智能的機器人負責，人員需求將大大減少，可能實現“無人作業”，或將為生產力帶來前所未有的變革。
討論
你覺得人們已經廣泛接受三維打印的產品了嗎？三維打印產品可能會引發哪些問題？請舉例說明，并完成表4-3。
表4-3 三維打印技術可能引發的問題
問題類型 舉例
生物打印的倫理問題
打印產品所涉及的稅務問題
機密產品的保密問題
學習評價
　　　　　　　　　評價內容 評價方式
自評 互評 師評
能根據教學步驟完成哨子、臺燈的三維建模能使用除軟件建模外的方式獲取三維數字模型并進行編輯修改
能完成三維數字模型的切片和三維打印制作
能對三維打印制作的產品或部件進行去支撐、打磨、上色、組裝等后處理
能對三維打印制作的產品功能進行測試和分析
熟練掌握教學實驗中涉及的軟件功能，可以舉一反三，完成自己的建模設計
了解三維打印技術在各領域中的應用
理解三維掃描、逆向工程、智能制造在技術產品設計和制造中的作用
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. 建筑三維打印技術突破了以往的搭建流程，更加高效、環保。2016年，我國建筑三維打印企業用三維打印技術制造了一幢中式別墅。這幢別墅不但整體結構用三維打印技術制作，而且部分內飾也采用了三維打印技術制作。
有人認為，這反映了建筑三維打印技術愈發成熟，用三維打印技術建造中式庭院，是新興制造技術與傳統建筑文化相結合的成功案例，更是宜居建設和智慧建設的經典案例。
我國的傳統文化博大精深，你認為三維打印技術還能與我國的哪些傳統文化相互結合、推陳出新？
2. 三維打印技術的發展日新月異，但是信息技術、人工智能等高新技術也在蓬勃發展，你認為在可見的未來，三維打印技術與其他新技術是相互促進與融合的關系，還是取代與被取代的關系？
板書設計
第四章 三維打印技術應用
第 二 節 三維打印的應用現狀與技術延伸
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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