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

第一節(jié)三維打印的應用實踐

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(yè)

革命的鑰匙，它的發(fā)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(yōu)勢，三維打印技術經歷了30多年的發(fā)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(yè)制造、航空航

天、醫(yī)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(fā)展前景C

教學目標：

知識與技能目標：

1.熟練掌握建模軟件的設計功能。

2.能用三維打印技術設計并制造一個實用且具有簡單組合結構的產品。

3.掌握產品后期加工、組裝與測試的方法。

4.深刻領悟三維打印技術的優(yōu)勢。

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卬技術的產生和發(fā)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(fā)展同學們的核心素養(yǎng)。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(tǒng)制造技術

的區(qū)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(fā)，具體問題具體分析，通

過對比、權衡和優(yōu)化得到最佳方案，以此培養(yǎng)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(chuàng)新能力。

教學重難點：

熟練掌握建模軟件的設計功能。

能用三維打印技術設計并制造一個實用且具有簡單組合結構的產品。

掌握產品后期加T、組裝與測試的方法.

教學策略：

在教學過程中，注重對同學們科學態(tài)度、價值觀的引導和培養(yǎng)。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(tǒng)制造業(yè)、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(fā)展綜合素養(yǎng)。

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(jié)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一節(jié)三維打印的應用實踐。

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(chuàng)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(yè)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(huán)節(jié)的必要

技能，充分發(fā)揮想象力，讓三維打印技術成為我們將創(chuàng)意靈感轉化成實物的得

力助手。

一、哨子的制作實踐

哨子是一種可以發(fā)出聲音信號的小型器物，不同的哨子形式各異，材質多

樣，用途不一（如圖41所示）（參見教材P56）。同學們，還記得李老師的煩

惱嗎？現在讓我們用三維打印技術來幫他做一枚聲音悅耳且造型獨特的哨子

吧。

思考

哨子是什么形狀的？可以大致看成是哪些形狀的組合？如果用傳統(tǒng)工藝制

作生產，需要經過哪些工藝流程？

我們先來設計一種常見的、帶震動彈子的哨子（如圖42所示）（參見教材

P56）的三維數字模型，并在哨子上加上“中國制造”四個字，以便區(qū)分。

第一步：使用“草圖圓”工具，選擇圓心，再指定直徑畫一個圓，如圖43

（參見教材P57）所示。

?功能提示：可以在文字框中輸入參數，指定圓的直徑。

第二步：使用“多段線”工具，連續(xù)指定幾個點，畫出如圖44（參見教材

P57）所示的圖形。

?功能提示：藍色小格子的邊長是5mm,可以依據格子數目判斷長度。

第三步：使用“三點圓弧”工具，先選擇圓弧的起點，再選擇圓弧的端

點，最后選擇圓弧上的點，將繪圖修改為圖45（參見教材P57）所示的圖形。

?功能提示：注意看浮動的綠色窗口，按照文字提示操作。

第四步：把不需要的線段修剪掉，就得到一個哨子的形狀了（如圖46所

示）（參見教材P58）。

思考

為什么要修剪掉多余的線段呢？

第五步：選中哨子的圖形，使用“拉伸”工具按照箭頭方向拉伸，將平面

圖形變成一個實體（如圖47所示）（參見教材P58）。

思考

如果剛才不修剪多余的線條，現在還能拉伸嗎？

第六步：利用“抽殼”工具，指定要刪除的實體的面，把實心的物體變成

空心（如圖48所示）（參見教材P59）。

?功能提示：注意從哪一個面掏空實體。

第七步：利用“草圖矩形”和“拉伸”丁具在空心物體的表面掏出一個矩

形的洞（如圖49所示）（參見教材P59）。

?功能提示：點擊軟件右上角的視圖立方體可以調整視圖的角度。

注意

繪制完矩形之后要向內側拉伸，拉伸的參數是負數。

第八步：利用“扭曲”工具把這個洞的一個面變成斜面，設置參數為3

mm,至此一個哨子的外殼就完成了（如圖410所示）（參見教材P60）。

注意

選擇一條邊作為扭曲操作的對象。

思考

還有其他方法能夠達到同樣的效果嗎？

第九步：在哨子表面寫上文字“中國制造”（如圖411所示）（參見教材

P60）o

注意

文本功能不能換行輸入。

第十步：點擊文字，利用“拉伸”工具把平面字體變成立體的實體（如圖

412所示）（參見教材P61）。

思考

為什么要拉伸呢？如果不拉伸，會有什么影響？

第十一步：給哨子加上一個拴繩子的環(huán)扣。先畫出一個圓環(huán)體，然后將其

移動到和哨子實體相交的部位，如圖413（參見教材P61）。

第十二步：去除圓環(huán)在哨子里面的部分。

思考

怎么去除圓環(huán)在哨子里面的部分呢？

首先利用“分割實體”工具，將圓環(huán)分成兩部分，分割之后刪除圓環(huán)在哨

子里面的部分，如圖414（參見教材P62）。

注意

要分割的實體是圓環(huán)，分割工具是哨子的表面。

?功能提示：這個步驟是為了用哨子的表面將圓環(huán)切成兩部分，只留下外

側的部分作為拴繩子的環(huán)扣，內部的部分沒有用，要刪掉C長按鼠標左鍵可選

擇被遮擋的對象。

第十三步：利用“基本體”制作一個半徑為4mm的小球，并把它放到哨子

內部（如圖415所示）（參見教材P62）。

?功能提示：利用“移動/旋轉”工具將小球放到哨子內部。

思考

不放置這個小球，只有外殼的哨子能吹響嗎？

哨子模型的設計檢驗

請注意，為使打印出來的哨子吹得響亮，需要在哨嘴開口，哨子背部開斜

面，哨子內部放置小球，請你對照第六步、第八步、第十三步，對哨子的三維

數字模型進行檢查。

第十四步：把設計好的哨子保存下來，可以直接使用“保存”功能將模型

存儲為123DX格式，以便下次打開的時候可以繼續(xù)編輯，也可以使用“導出為

3D文件”功能存儲為STL格式（如圖416所示）（參見教材P63）。在這里我

們保存為STL格式，用Cura軟件進行切片后打印出立體模型。

你打印出來的哨子實物，能吹得響嗎？聲音足否悅耳？實物是否和你的設

計方案一致呢（如圖417所示）（參見教材P63）?

思考

同學們還記得第十三步中我們放置在哨子中的小球嗎？這個小球在剛打印

完時可以活動嗎？為什么？

?提示：如果小球是不能活動的，請試著用尖細的物體從哨子開口處伸

進，捅一捅，使小球可以活動。

產品評價

請同學們檢測自己所制造的哨子的質量、性能，并做出評價，填寫表41。

表41哨子質量和性能評價

評價指標評價結果

產品性能聲音響亮口無響聲口

產品質量完好堅固口破裂松動口

產品表面光滑口粗糙口

思考

用三維打印機可以將哨子的外殼和里面的彈子一次打印成功而無須組裝,

用其他工藝可以做到嗎？

在不改變產品結構的前提下，我們可以發(fā)揮想象和創(chuàng)意，對三維產品進行

渲染，以美化其外觀，甚至提升其內涵。如圖418（參見教材P64）是用畫筆和

涂料上了色的哨子。

知識窗

如何給產品上色

常見的熔融沉積成型三維打印機大多數是用一種材料進行打印的，成型產

品以單色居多，顏色單調，因此，給產品上色是常用的后處理加工方式之一。

手工上色是最簡單最基本的上色方法。為了呈現出較好的表面色彩，可以

先給產品涂上一層淺的底色（一般為淺灰色或白色），再涂上主色，以防出現

顏色不均勻或反色的現象（如圖419所示）（參見教材P64）。上色最好采用

十字交叉涂法，即在第一層涂料即將干燥時，再涂上第二層涂料，第二層的筆

刷方向和第一層垂直。

除了手工上色，還可以借助上色工具，如采用噴漆、浸染、電鍍等方式為

產品添加色彩（如圖420所示）（參見教材P65）o

二、臺燈的制作實踐

臺燈是我們學習的好伙伴?，一盞亮度適宜、造型優(yōu)美的臺燈，不僅能有效

保護我們的視力，還能點綴我們的書桌。這一節(jié)我們來制作一個花瓶形狀的臺

燈吧。

1.活動準備

購買一個帶開關和電線的燈頭配件、一個節(jié)能燈泡，并測量各部分的尺

寸，如圖421（參見教材P65）。

2.建模過程

思考

臺燈由幾個部分構成？每個部分是怎樣組裝到一起的呢？

第一步：制作燈身。按照之前測量的參數利用“多段線”“樣條曲線”工

具繪制圖422（a）（參見教材P66）中的圖案和直線；然后利用“旋轉”工具

讓草圖繞著直筏旋轉360°，生成如圖422（P）（參見教材P66）所示的實

體，燈身就制作好了。

注意

這些參數不是固定的，參數跟同學們買到的臺燈配件有關。

?功能提示：輪廓選擇草圖，軸選擇左側直線，旋轉角度為360°。

思考

為什么要畫圖422（a）（參見教材P66）中的直線？該圖右側圖案底下突

出的部分起什么作用？

第二步：制作底座。利用“多段線”“三點圓弧”工具繪制底座的草圖

（如圖423所示）（參見教材P66）。

思考

為什么中間要畫一個凹槽？

第三步：同樣利用“旋轉”工具得到如圖424（參見教材P67）所示的底座

實體。

?功能提示：輪廓選擇草圖，軸選擇左側直線。

第四步：通過“草圖矩形”和“拉伸”操作在底座下面掏一個凹槽?，連通

內外，底座就制作好了（如圖425所示）（參見教材P67）。

?功能提示：繪制的矩形要超出底座的寬度，拉伸的高度為5mm0

下面我們要制作燈罩了，這個燈罩跟普通的燈罩有些不一樣，它由兩部分

組成。

第五步：先制作燈罩的主體部分，通過“草圖圓”繪制一個圓（如圖426

所示）（參見教材P68）。

第六步：“拉伸”再“抽殼”形成圓筒型燈罩實體（如圖427所示）（參

見教材P68）。

第七步：為了防止邊緣太尖銳，我們用“圓角”工具將燈罩的棱角都做成

圓角（如圖428所示）（參見教材P69）。

第八步：制作燈罩托。繪制兩個同心圓，并“拉伸”（如圖429所示）

（參見教材P69）。

?功能提示：兩個同心圓的直徑分別是121mm和130mm,拉伸高度為5

mm,,

第九步：繪制兩個直徑分別為41mm和50廊的同心圓（根據燈頭的直

徑），然后使用“多段線”畫出八條直線與第八步繪制的直徑為121mm的外圓

連接，如圖430（參見教材P69）所示。

?功能提示：直線一定要與兩個圓相交，否則下一步將無法操作。

第十步：利用“修剪”工具剪掉多余的線段，得到如圖431（c）（參見教

材P70）所示的形狀。

?功能提示：要修剪掉八條線才能得到這一步的結果，其中四條在121

mm直徑的圓上，另外四條在50mni直徑的圓上。

第十一步：“拉伸”再“合并”，得到一個燈罩托（如圖432所示）（參

見教材P70）。

?功能提示：此處拉伸高度為3mm0

注意

兩個部分的拉伸高度是不一樣的。

思考

為什么拉伸的高度不一樣呢？

緊接著，我們來構建一個五棱柱形狀的盒子。

第十二步：首先，使用“草圖多邊形”工具繪制兩個同心的正五邊形，頂

點距中心的距離分別是70mm和65mm（如圖433所示）（參見教材P71）.

第十三步：使用“拉伸”工具構建盒子的主體。選中外圈的五邊形，拉伸

40mm；選中內圈的五邊形，拉伸42mm,并選擇合并兩部分模型；選中拉伸后

內圈五棱柱的頂面，

使用“抽殼”功能，設置內側厚度為2mm（如圖434所示）（參見教材

P71）o

第十四步：接下來，開始構建盒蓋，方法與第十二步、第十三步類似。

使用“草圖多邊形”工具繪制兩個同心正五邊形，半徑分別為70nun、67

ninio選中外圈的五邊形，拉伸20mm；選中內圈的五邊形，拉伸17mm,并選擇

合并兩部分模型；選中拉伸后內圈五棱柱的頂面，使用“抽殼”功能，設置內

側厚度為4mm（如圖435所示）（參見教材P72）0

思考

為什么第十三步的抽殼厚度是2mm,而第十四步的抽殼厚度是4mm?

第十五步：將盒蓋提高并翻轉。沿Z軸“移動”40mm,繞Y軸“旋轉”

180°o再沿X軸、Y軸平移到盒子主體上方,如圖436（參見教材P72）所

不O

第十六步：構建盒子主體與盒蓋的連接結構。如圖437（參見教材P73）,

利用“多段線”繪制草圖。

如圖438（a）（參見教材P73）,選中相鄰兩個區(qū)域，無須選中圓形，拉

伸3mm,即為與盒蓋相連接的結構。將該模型旋轉平移，如圖438（b）（參見

教材P73）,從而模擬盒蓋打開時連接結構的運動位置。用“多段線”繪制三

角形，如圖438（c）（參見教材P73）,即得到和盒子主體相連接的結構草

圖。

思考

圖438（c）（參見教材P73）中突出的三角形起什么作用？

第十七步：先將盒蓋的連接結構移開，再分別將兩片盒子主體的連接結構

拉伸3mm,如圖439（a）和圖439（b）（參見教材P74）。通過移動和旋

轉，使盒蓋連接結構夾在盒子主體連接結構之間，每片連接結構相隔1mm,如

圖439（c）（參見教材P74）。

將三角形拉伸11nun,得到一個三棱柱，再將三棱柱與兩片盒子主體連接

結構合并，如圖439（d）（參見教材P74）。

復制連接組合結構，沿Z軸平移50mm,如圖439（e）（參見教材

P74）o

第十八步：將連接部件繞Y軸和Z軸旋轉90°,并平移至與盒子主體、

盒蓋接觸，如圖440（a）（參見教材P74）。使用“合并”功能，將盒蓋與兩

片連接結構合并，將盒子主體與四片連接結構合并，如圖440（b）（參見教材

P74）所示。

第十九步：創(chuàng)建1根直徑為5mm、長度為62mm的圓柱體，作為連接結構

中間的連接桿，如圖441（參見教材P75）所示.

?功能提示：可根據三維打印機的制作精度設置直徑的大小，避免由于誤

差過大而導致連接過于緊密或過于松動。

第二十步：創(chuàng)建長度為80mm、寬度為30mn的長方形，一端含有直徑為

12mm的圓，如圖442（a）（參見教材P75）,將長方形拉伸3mm,圓拉伸6

mmo復制該模型并平移至一旁，使用“變換”菜單中的“縮放”功能，將該模

型略微放大一些，如圖442（b）（參見教材P75）。

將小尺寸模型和盒子主體進行合并，如圖442（c）（參見教材P75）；將

大尺寸模型和臺燈底座重疊，并使用“相減”功能，在臺燈底座上留下凹槽;

如圖442（d）（參見教材P75）。

思考

這一步驟是為了構建盒子主體和臺燈底座的連接部件、這樣設計有什么意

義？

第二十一步：將創(chuàng)意臺燈的各部件保存并以STL格式導出，進行切片處理

和打印制作。請注意各部件擺放的方位，如盒蓋應該頂面朝下，緊貼工作平臺

進行打印，以減少支撐。

臺燈模型的設計檢驗

請注意，為使臺燈各部分成功拼接、緊密貼合，需要注意各部件尺寸的匹

配。尤其是燈身和底座、燈身頂部和燈泡零件、燈身頂部和燈罩托、燈罩和燈

罩托的連接部位。請本照第一步、第三步、第五步、第九步，檢查你的三維數

字模型。

另外，請注意燈罩抽殼設置的內側厚度值不宜太大，否則會導致燈罩太

厚，影響透光。請對照第六步，檢查你的三維數字模型。

3.切片與打印

將模型切片、打印、組裝，一個花瓶臺燈就制作好了。安裝上節(jié)能燈泡，

插上電源，看看花瓶臺燈的效果，如圖443（參見教材P76?77）所示。

注意

在組合產品的零件切片時，要注意各部件尺寸的匹配。接觸電源、燈泡時

注意用電安全.

由于熔融沉積成型技術打印出來的弧面和曲面容易出現“臺階效應”，這

個時候可以用打磨的方法，使臺階狀的曲面變得平滑。

知識窗

如何打磨拋光模型

打磨拋光的方法有很多，砂紙打磨是常用的方法之一。砂紙打磨主要用到

水砂紙、打磨棒等工具。常見的水砂紙型號有600號、800號、1000號、：

200號、1500號，號碼越大，砂紙的表面顆粒越細密（如圖444所示）（參見

教材P77）。使用水砂紙打磨時要在表面適當淋水。打磨后物件表面可能缺乏

光澤，這時候用牙膏抹在布上再對零件進行擦拭，可恢復光澤。

除了砂紙，還可以用到溶劑拋光法。四氫吠喃溶劑可以對PLA材料進行拋

光，操作時需準備拋光布、非乳膠手套等工具（如圖445所示）（參見教材

P78）o其他種類的高分子材料需要使用對應的溶劑，如ABS塑料可使用丙酮進

行拋光，聚己內酯塑料可使用二氯甲烷進行拋光。進行溶劑拋光時，需要了解

溶劑的理化特性，注意操作安全。

其他拋光法還有火烤、震動拋光、珠光處理等。

產品評價

請同學們檢測花瓶臺燈的質量、性能，并做出評價，填寫表42。

表42花瓶臺燈質量和性能評價

評價指標評價結果

產品性能明亮口昏暗口無光亮口

產品質量完好堅固口破裂松動口