选择性必修11 产品三维设计与制造.pdf

产品三维设计与制造产品三维设计与制造通用技术通用技术TONGYONG JISHUPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU普 通 高 中 教 科 书选择性必修绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 0614 通用技术封面选修11 产品三维设计与制作 5毫米 10614 通用技术封面选修11 产品三维设计与制作 5毫米 12022/8/2 16:432022/8/2 16:43普通高中教科书通用技术选择性必修北京产品三维设计与制造总 主 编：褚君浩副 主 编：朱志勇本册主编：张 杰编写人员：许建华 张 杰 陈 莹 孟会真 周 晨 黄 瑾 路叶燕责任编辑：徐勇雁 鲁瑛奇美术设计：胡白珂普通高中教科书 通用技术 选择性必修 产品三维设计与制造上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版发行（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网 址 http:/经 销 全国新华书店印 刷版 次 2022年 月第1版印 次 2022年7月第1次印刷开 本 890毫米1240毫米 1/16印 张 6字 数 144千字书 号 ISBN978-7-107-36794-6定 价 7.20元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台。如发现印、装质量问题，影响阅读，请与本社联系。电话：400-810-5788声明 按照中华人民共和国著作权法第二十三条中有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。本册教材图片提供信息：本册教材中的图片由全景网、视觉中国等图片网站提供。通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。人类在生产实践和科学实验的过程中，获得了知识，掌握了规律，形成了技术，进而在工程任务中利用技术，提升生产实践和科学实验的水平。实践认识再实践再认识，这样的过程循环反复，人类的科学技术不断提升，社会生产力不断发展。世界是物质的，物质是运动的。在我们周围充满着物质的多种多样的运动形式，除了常见的机械运动以外，还有光、声、热、电、磁、分子、原子、基本粒子、生命运动等。人们在观察和研究物质的这些运动形式时，发现了规律，运用规律发明了技术，相应产生了机械技术、光技术、声技术、热技术、电技术、磁技术、分子技术、核技术、生物技术等。这些技术分别或者集成起来在多类工程任务中得以应用，涉及机械工程、土木工程、热力工程、电子工程、光学工程、能源工程、环境工程、生物工程、航空航天工程、海洋工程、地质工程等。典型的工程，包括南浦大桥、世博会的中国馆、虹桥枢纽屋顶上的太阳能发电站、C919大飞机、风云四号等大工程，也包括制造服装、烹饪菜肴、室内装修、三维打印零件等小工程。工程任务完成后制造出各类产品，应用于社会方方面面不同领域，为社会创造财富。从事这些工作的勤奋踏实而富有创新精神的劳动者，成为了基础扎实的工程师和精益求精的工匠，他们是我们学习的楷模。我国古代人民的发现和发明造就了中国科学技术的辉煌历史，不仅有指南针、造纸术、印刷术、火药等重要发明，还有以都江堰水利工程、传统木建筑的榫卯结构等为代表的水利、天文、建筑、铸造、纺织、陶瓷、冶金、航海等古代科学技术，这些杰出的技术是中国古代科技文明的精粹，对人类文明发展和社会生产力的进步产生了巨大推动作用和深远影响。技术是人类利用自然规律实现某种功能和目标的一种能力，它的背后是科学规律，它的前面是工程任务。工程任务有明确目标，技术在完成工程任务中实现它的价值。例如，根据牛顿第三定律可以利用作用力的反作用力推进物体，这一原理可以用于火箭工程，再运用万有引力定律，可以发射地球卫星，甚至把嫦娥四号送到月球背面。技术的价值在工程任务中得到充分体现。把技术应用于工程，就要遵循工程的规范。实现技术的应用，完成一项工程任务，首先要明确这项工程的具体目标，提出完整可行并有创新的设计方案。设计方案又涉及工程目标物的结构、工艺流程、组成系统、意图控制等。方案的具体内容要用技术语言和图样表达出来，根据图样来操作加工，最后实现方案，完成工程任务。工程实施过程中的经验和教训，需要同行互相交流；是否完成了预期的目标要求，需要由外部专家和使用者进行评价。工程交付后，还要经受时间和应用的评判。同学们，新时代已经来临！新工业革命正在悄悄向我们走来。如同18世纪以机械化为特征的第一次工业革命、19世纪以电气化为特征的第二次工业革命、20世纪以信息化为特征的第三次工业革命，21世纪人类将开启以智能化为特征的第四次工业革命。人类致同学们致同学们 I I总是先在观察或实践中发现规律，在此基础上发明了技术，进而推动技术的应用与发展。人们发现了质能关系，发明核技术；发现了受激辐射规律，发明激光技术；发现了光纤中光传输规律，发明光通信技术；发现了电磁波规律，发明无线通信技术；发现了半导体光跃迁规律，发明半导体照明技术；等等。先进技术为构建人类绚丽文明打下基础。谁掌握了规律，谁发明了技术，谁就获得了主导权。智能制造是新工业革命的重要特征，而通用技术是智能制造的基础课程之一。同学们，机遇和挑战在等待着我们！通用技术课程必修内容包括“技术与设计1”“技术与设计2”2个模块，它们分别从技术和设计的角度阐述通用技术的一般概念，并通过实践来帮助同学们体验技术与设计的内涵。选择性必修内容包括“技术与生活”“技术与工程”“技术与职业”和“技术与创造”4个系列11个模块。整体框架由图0-1表示。学习这门课程要注重掌握概念和加强实践，尤其要通过动手实践，来培养自己的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力等核心素养。产品三维设计与制造共有四章，分别从三维打印原理、三维打印产品技术分析、三维模型设计、三维打印技术应用进行阐述。三维打印技术是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造三维物理实体模型的技术。目前，三维打印技术在医疗、产品原型、文物保护、建筑业、制造业、军工、艺术设计、食品产业等领域都得到了广泛的应用。同学们学习产品三维设计与制造，能了解三维打印技术发展历史及最新技术的发展动向；通过学习三维设计软件，能将设计方案转换成三维数字模型，并对其进行优化、渲染和测试，培养空间想象能力和创新精神；通过使用三维打印机将产品的三维设计进行物化，感受产品生产带来的成就感。通过项目学习的方式，综合运用这些技术与方法，有利于提高解决实际问题和创新实践能力。编 者2019年8月图 0-1 课程内容整体框架生活工程职业创造智能家居应用设计服装及其设计现代家政技术技术与职业探索职业技术基础机器人设计与制作工程设计基础电子控制技术基元技术创造力开发与技术发明产品三维设计与制造科技人文融合创新专题控制的设计系统的设计流程的设计结构的设计技术与设计2交流与评价方案与实现技术的设计技术的性质技术与设计1通用技术力技术电技术磁技术光技术声技术热技术人类科学活动和生产实践II产品三维设计与制造目 录第一章 三维打印原理 1第 1 节 三维打印技术概述 2第 2 节 三维打印机的操作 6第二章 三维打印产品技术分析 13第 1 节 三维打印产品设计制造方案 14第 2 节 三维打印产品设计分析与打印分析 21第三章 三维模型设计 27第 1 节 简单模型设计 28第 2 节 模型测试与优化 40第 3 节 组合模型设计与切片 52第四章 三维打印技术应用 69第 1 节 组合结构的产品制造 70第 2 节 三维扫描与打印 84三维打印，又称3D（Three-Dimensional）打印。随着三维打印技术的发展，许多应用领域都出现了三维打印的产品，小到钥匙扣，大到航天设备上的某个特殊部件，三维打印产品在我们生产生活中的应用日渐增多，三维打印产品的设计与制造也成为一个新兴产业。通过本章的学习，你将了解三维打印技术的原理、发展历程和应用领域，理解三维打印技术应用的普遍性，了解基于熔融沉积成型工艺的三维打印机的运行过程和所受的技术限制，了解获得三维打印模型数据的途径，知道如何正确、安全地操作三维打印机，逐步提升技术意识。第一章 三维打印原理第 1 节 三维打印技术概述第 2 节 三维打印机的操作第1节 三维打印技术概述任何一门新技术的形成都不是一蹴而就的，都会经历一个从出现到日渐成熟的发展过程。三维打印技术从构想萌芽到快速发展经历了一个多世纪的时间，它将为各行各业带来新的发展机遇。目前，运用三维打印技术（图1-1）制造产品与传统制造技术（如车、铣、磨、钻等，如图1-2所示）相比，具有产品造型结构多变、耗材利用率高、生产过程简化、成型速度快等许多优势，但同时也存在生产成本高、打印时间长、材料选择面窄、制造效率不高等一系列的问题。究竟什么样的产品适合运用三维打印技术制造？一、三维打印技术的原理三维打印技术，又称为增材制造技术，属于快速成型技术的一种。制作蛋糕时的裱花过程就是增材制造的一种形式。三维打印技术是以数字模型文件为基础，通过逐层打印可黏合材料（如特殊蜡材、粉末状金属或塑料等）构造三维物体，概括地讲就是“分层制造，逐层叠加”。图1-1 三维打印技术图1-2 传统制造技术判断一个产品是否适合运用三维打印技术制造，首先要了解三维打印技术的原理。1.了解三维打印技术的历史。2.了解三维打印技术的原理。3.了解三维打印技术的应用领域。学习目标2产品三维设计与制造三维打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制、生物、医学等技术相结合，是一种新型的制造工艺。随着时代的发展，利用三维打印技术，可以将虚拟的数字模型快速地制造出来，得到个性化的产品，尤其是形状复杂、结构精细的物体。拓展阅读案例制造技术除了增材制造技术，还有等材制造技术和减材制造技术。等材制造技术是指在制造过程中，基本上不改变材料的量，或者改变的量很少。典型的等材制造技术有铸造、焊接、锻压等。减材制造技术是指对毛坯进行加工，去除多余的材料，使毛坯由大变小，最终形成所需要形状的零件。典型的减材制造技术有车削加工、钻削加工、磨削加工等金属切削加工技术。相对于传统的等材或减材制造技术，增材制造技术即三维打印技术，是采用将材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，是一种“自下而上”的制造方法。运用传统手工技术与三维打印技术制作牙冠运用传统手工技术制作牙冠（图1-3），首先要根据患者的口腔印模灌注出石膏模型，其次根据石膏模型制作出烤瓷牙的蜡型，最后进行金属牙冠的铸造，主要包括铸道安装、包埋、失蜡、铸造等步骤。在加工过程中，制作蜡型的蜡容易收缩变形；在后续的热加工环节，铸造牙冠的金属材料也会产生变形。因变形引发尺寸偏差的牙冠，需要返工，致使患者的就医时间增加，牙冠的加工成本增加。运用传统手工技术制作牙冠的效果主要取决于牙科技师个人技术和经验。三维打印技术制作的牙冠采用金属粉末为加工材料，通过数字化口腔模型扫描、建模、三维打印等步骤完成制作。在口腔模型的扫描、建模之后，金属牙冠的生产全部是由数字化技术来完成的。传统手工技术与三维打印技术制作牙冠的工艺步骤比较如表1-1所示。表1-1 传统手工技术与三维打印技术制作牙冠工艺步骤比较传统手工技术印模/模型、蜡型、铸道安装、包埋、失蜡、铸造、表面处理、饰面、完成三维打印技术印模/模型、扫描、建模、三维打印加工、饰面、完成图1-3 牙冠第一章 三维打印原理 3讨论&交流通过牙冠的制作案例，结合三维打印原理，你认为三维打印产品与传统手工产品在制作工艺上有何区别？案例行 业 创 新三维打印桥梁三维打印桥梁2019年1月12日，一座大规模的三维打印混凝土桥梁在上海落成启用，如图1-4所示。这座桥长26.3m，拱长14.4m，宽3.6m，借鉴了我国古代赵州桥的单拱承重结构。该桥采用三维实体建模进行设计，桥体由桥拱、桥栏板、桥面板三部分组成。前期通过三维打印技术耗时450h完成全部构件的打印，后期运用现代施工技术进行拼装。与同等规模的普通桥梁相比，三维打印桥梁的造价只有其三分之二。三维打印免充气轮胎三维打印免充气轮胎2019年6月，某两家公司联合研发并推出了一款三维打印免充气轮胎（图1-5）。