普通高中教科書(shū)

《通用技術(shù)》選擇性必修11:產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與制造

第二章三維產(chǎn)品技術(shù)分析

第三節(jié)三維打印的制造方案

教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)背景

三維打印是近年來(lái)受到人們廣泛關(guān)注的一項(xiàng)高新技術(shù)，被譽(yù)為開(kāi)啟新工業(yè)

革命的鑰匙，它的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)的生產(chǎn)制造模式從等材、減材到增材的重大

轉(zhuǎn)變。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，三維打印技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展仍方興未艾，新

技術(shù)、新材料、新應(yīng)用仍源源不斷問(wèn)世，而且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航

天、醫(yī)療教育、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，這一切都展示了三維打印技術(shù)強(qiáng)大的生命力

和難以估量的發(fā)展前景C

教學(xué)目標(biāo)：

知識(shí)與技能目標(biāo)：

1.能結(jié)合三維打印的成型工藝特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)分析。

2.能根據(jù)產(chǎn)品要求制訂合適的制造方案。

3.學(xué)會(huì)通過(guò)對(duì)比、權(quán)衡、優(yōu)化，確定最佳的制造方案。

教學(xué)內(nèi)容分析：

教材分四章：三維打印原理、三維產(chǎn)品技術(shù)分析、三維模型設(shè)計(jì)和三維打

印技術(shù)應(yīng)用。由淺入深，帶領(lǐng)同學(xué)們了解三維打印技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展歷程，了

解三維打印的基本原理、設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方法；熟悉不同材料和成型工藝的

特點(diǎn)，能結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求制訂合適的產(chǎn)品制作方案；學(xué)習(xí)三維建模，掌握三

維模型設(shè)計(jì)的基本思路和方法；通過(guò)實(shí)踐操作教學(xué)，設(shè)計(jì)和制作出哨子、臺(tái)燈

等立體模型。

學(xué)情分析：

學(xué)生對(duì)三維打印的了解認(rèn)識(shí)有限，面對(duì)未來(lái)，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)三維打印

的知識(shí)。

教材注重發(fā)展同學(xué)們的核心素養(yǎng)。通過(guò)了解三維打印的原理及其應(yīng)用，感

悟三維打印技術(shù)對(duì)人們生產(chǎn)、生活的影響。選取能突出反映三維打印特點(diǎn)的案

例，通過(guò)對(duì)不同工藝的對(duì)比，讓同學(xué)們深刻體會(huì)三維打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)

的區(qū)別，幫助同學(xué)們樹(shù)立技術(shù)意識(shí)。所選案例貼近日常生活，方便同學(xué)們學(xué)以

致用，在制訂方案的過(guò)程中，引導(dǎo)同學(xué)們從實(shí)際出發(fā)，具體問(wèn)題具體分析，通

過(guò)對(duì)比、權(quán)衡和優(yōu)化得到最佳方案，以此培養(yǎng)工程思維。在實(shí)踐操作教學(xué)中，

幫助同學(xué)們較全面地掌握三維打印的設(shè)計(jì)技巧和制作方法，引導(dǎo)同學(xué)們思考與

探究，從而提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

教學(xué)重難點(diǎn)：

能結(jié)合三維打印的成型工藝特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)分析。

能根據(jù)產(chǎn)品要求制訂合適的制造方案。

學(xué)會(huì)通過(guò)對(duì)比、權(quán)衡、優(yōu)化，確定最佳的制造方案。

教學(xué)策略：

在教學(xué)過(guò)程中，注重對(duì)同學(xué)們科學(xué)態(tài)度、價(jià)值觀(guān)的引導(dǎo)和培養(yǎng)C本書(shū)設(shè)計(jì)

的案例、實(shí)踐活動(dòng)、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(jìn)行展覽、三維打印器官的倫理思考等，引導(dǎo)同學(xué)們從

社會(huì)、科技、人文等方面進(jìn)行考慮，從而發(fā)展綜合素養(yǎng)。

運(yùn)用三維打印技術(shù)，不用依賴(lài)機(jī)床和車(chē)間，也不用削、鉆、鑄等手段，只

要借助一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)三維打印機(jī)，我們就能變成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、制造者。

讓我們一起走進(jìn)三維打印的世界，領(lǐng)略它的神奇與不凡；讓三維打印技術(shù)成為

我們的好幫手，助我們實(shí)現(xiàn)腦海中奇妙的構(gòu)想吧。

教學(xué)準(zhǔn)備：

展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。

教學(xué)過(guò)程：

情景導(dǎo)入：

老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修11:產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與制造

第二章三維產(chǎn)品技術(shù)分析第三節(jié)三維打印的制造方案。

通過(guò)第一章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們了解了三維打印的發(fā)展歷史、概念原理及打印

機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作方法。

實(shí)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(shù)有很

多種，人們根據(jù)不同的技術(shù)研發(fā)出了不同類(lèi)型的打印機(jī)，這些打印機(jī)有的打印

得快速，有的打印得精細(xì)，有的能打印金屬，各有千秋。因此在開(kāi)始打印操作

之前，我們應(yīng)該對(duì)三維打印的工藝和材料有全面的了解，掌握其特點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們還應(yīng)該從產(chǎn)品需求出發(fā)，根據(jù)不同工藝和材料的特點(diǎn)

做出合理的技術(shù)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(diǎn)，當(dāng)應(yīng)用三維打印技術(shù)來(lái)

設(shè)計(jì)和制造立體實(shí)物時(shí)，我們肯定不希望得到的產(chǎn)品存在瑕疵甚至無(wú)法使用，

也不希望大材小用浪費(fèi)資源。

要在一定的條件下獲得滿(mǎn)意的產(chǎn)品，就需要我們?cè)诖蛴∏熬脑O(shè)計(jì)出合理

的制造方案C

案例

我國(guó)的鐵路網(wǎng)絡(luò)非常發(fā)達(dá)，部分列車(chē)要行駛數(shù)千公里跨越數(shù)十個(gè)城市才到

達(dá)終點(diǎn)站，這么長(zhǎng)距離的行駛對(duì)火車(chē)零件的性能要求非常高，零件需要具備較

高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性，并能承受沖擊振動(dòng)。

連接火車(chē)車(chē)輪與傳動(dòng)連桿的銷(xiāo)軸，曾經(jīng)是通過(guò)調(diào)質(zhì)處理工藝進(jìn)行加工的，

這種工藝提高了銷(xiāo)軸的韌性，但降低了硬度。銷(xiāo)軸在火車(chē)長(zhǎng)距離的行駛中會(huì)造

成劇烈磨損，容易導(dǎo)致零件間隙增大而配合失效，甚至可能引發(fā)銷(xiāo)軸斷裂的安

全事故。

后來(lái)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家的討論分析，針對(duì)零件的用途和工作環(huán)境，換了另一種工

藝進(jìn)行處理一一通過(guò)表面淬火處理來(lái)強(qiáng)化銷(xiāo)軸表面的硬度，同時(shí)保持了銷(xiāo)軸芯

部的韌性。這樣一來(lái)，經(jīng)過(guò)表面淬火處理的銷(xiāo)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(shí)，我們應(yīng)當(dāng)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(chǎn)品選用具有高強(qiáng)度的鈦合金材料

進(jìn)行三維打印制造，是否可取？

不同工藝的三維打印技術(shù)，其制造時(shí)間、制造成本、難易程度大相徑庭，

不同的產(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求這兩個(gè)方

面來(lái)考慮，當(dāng)兩者相符了，才可能制造出符合預(yù)期的產(chǎn)品（如圖214所示）

（參見(jiàn)教材P25）.

三維打印技術(shù)有多種成型工藝，每種成型工藝乂對(duì)應(yīng)不同的三維打印機(jī)類(lèi)

型，不同成型工藝的三維打印機(jī)，其設(shè)備成本、運(yùn)行成本、適用范圍和使用的

材料都是有區(qū)別的（如表22所示）。

表22成型工藝的特點(diǎn)對(duì)比

三維打印技術(shù)設(shè)備成本運(yùn)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(shè)制作結(jié)構(gòu)復(fù)光敏樹(shù)脂

備運(yùn)行成本高雜、高精度的

產(chǎn)品

熔融沉積成型較低材料利用率高，設(shè)備制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)熱塑性材料，如

運(yùn)行成本低單、低精度的PLA、聚丙烯等

產(chǎn)品

激光選區(qū)燒結(jié)昂貴材料利用率高，設(shè)備制作鑄造用模金屬粉末、陶瓷粉

運(yùn)行成本居中具、功能部件木、尼龍粉末、蠟

等等

不同的成型工藝電應(yīng)不同的打印材料?，一種打印機(jī)還可能適用于多種材

料。因此我們應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的用途、材質(zhì)要求、材料成本選擇適合的打印材料

（如表23所示）°

表23三維打印材料的特性對(duì)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(shù)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(qiáng)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(qiáng)度高

綜上所述，對(duì)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求也是在制訂方案時(shí)需要著重考慮的。

三維打印是以三維數(shù)字模型為模板進(jìn)行制作的，如何更便捷地獲得高質(zhì)量

的三維數(shù)字模型，直接關(guān)系到制造的難易程度和效率（如表24所示）。

表24模型獲取方式對(duì)比

在三維打印過(guò)程中，三維數(shù)字模型擺放位置的改變，也會(huì)影響打印的效率

獲取方式案例關(guān)鍵工具優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

制作一個(gè)玩具機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)檢索簡(jiǎn)單，快可能無(wú)法找到理想

網(wǎng)絡(luò)器人模型，對(duì)細(xì)速、便捷的模型，模型可能

節(jié)沒(méi)有特殊要求需要付費(fèi)

對(duì)破損的文物雕三維掃描儀較快速、準(zhǔn)確地細(xì)節(jié)呈現(xiàn)可能存在

三維掃描像進(jìn)行三維重建復(fù)制模型偏差、對(duì)空心和孔

洞結(jié)構(gòu)難以重建

制作一個(gè)新型的三維建模軟準(zhǔn)確體現(xiàn)設(shè)計(jì)思耗時(shí)長(zhǎng)

軟件建模復(fù)雜零件件想、精確把握細(xì)

節(jié)

和成型的效果。如圖215（參見(jiàn)教材P26）,該圓筒模型如果直立擺放，打印需

要3h左右，而將該模型水平擺放，打印耗時(shí)則可降至1h左右。通常來(lái)說(shuō)，

打印機(jī)噴頭在水平面移動(dòng)的速度較快，工作平臺(tái)在垂直方向的移動(dòng)速度較慢。

我們?cè)跀[放三維數(shù)字模型時(shí)可選擇切片層數(shù)較少的擺放方式，以減少打印制作

的時(shí)間。

但我們可以注意到，雖然水平擺放的圓筒模型打印時(shí)間縮短了，但是圓筒

內(nèi)部添加了一些柱狀的支撐結(jié)構(gòu)，以防止模型的懸空部分塌陷變形。這些支撐

結(jié)構(gòu)在打印結(jié)束后是需要手工去除的。

討論

去除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)瓦能會(huì)有支撐殘留造成表面殂糙，還有可能破壞產(chǎn)品主

體。進(jìn)行三維打印制作時(shí)，你認(rèn)為減少打印時(shí)間和減少支撐結(jié)構(gòu)，哪個(gè)更加重

要？

此外，不是所有三維數(shù)字模型都能夠成功制作出實(shí)物的。圖216（參見(jiàn)教

材P27）是一個(gè)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(shí)際上是一種視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)（如圖217所示）（參見(jiàn)教材

P27）o

除了設(shè)計(jì)本身外，還有一些原因會(huì)導(dǎo)致打印制作失敗。例如：模型文件本

身存在錯(cuò)誤、模型尺寸與打印機(jī)不匹配、模型細(xì)節(jié)過(guò)于精細(xì)導(dǎo)致打印機(jī)無(wú)法表

達(dá)等。對(duì)于這些問(wèn)題，有一些可以通過(guò)更換材料、更換精度更高的打印機(jī)來(lái)解

決，有一些則需要對(duì)三維數(shù)字模型做調(diào)整。

綜上所述，制訂二維打印制造方案，需要從產(chǎn)品用途、成本、材料、工

藝、三維模型獲取方式等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。只有明確產(chǎn)品需求，選擇合

適的材料和工藝，才能打印制作出理想的產(chǎn)品。

三、設(shè)計(jì)你的三維打印制造方案

案例

鈦合金材料因其密度小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

但是汽車(chē)產(chǎn)品則較少會(huì)考慮使用這種材料，因?yàn)殁伜辖鸢嘿F，且能夠打印鈦合

金的三維打印機(jī)的價(jià)格和維護(hù)成本都比較高，比光固化立體成型、熔融沉積成

型的打印機(jī)還要高出不少。

汽車(chē)行業(yè)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(jià)格低。圖218（參見(jiàn)教材P27）中的這臺(tái)三維打印汽車(chē)大部分的零件

都是采用ABS塑料及碳纖維打印出來(lái)的，這不僅減輕了車(chē)身重量，而且減少了

零件數(shù)量，簡(jiǎn)化了汽車(chē)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(gè)案例對(duì)于我們制訂三維打印制造方案有葉么啟示？

實(shí)踐活動(dòng)

用三維打印技術(shù)制作一枚哨子，你會(huì)選用什么材料，選用哪種打印機(jī)，如

何設(shè)計(jì)其制造方案呢？有名同學(xué)已經(jīng)有了初步的三維打印制造方案（表25中的

方案一），你覺(jué)得他的方案合理嗎？請(qǐng)你查閱資料，了解相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)自己

的三維打印制造方案，并與這名同學(xué)的制造方案進(jìn)行比較，完成表25。

表25制造方案的設(shè)計(jì)與選擇

項(xiàng)目方案,方案1方案三

數(shù)字模型來(lái)源三維掃描獲取

選用成型工藝激光選區(qū)燒結(jié)

選用原材料聚乳酸

產(chǎn)品后處理打磨拋光

產(chǎn)品性能

制作難度

制作時(shí)間

制作成本

失敗風(fēng)險(xiǎn)

最終方案

選擇原因

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)方式

評(píng)價(jià)內(nèi)容

自評(píng)