普通高中教科书·通用技术选择性必修11 产品三维设计与制造.pdf

通用技术产品三维设计与制造普通高中教科书定价：7.36元批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话：12315选择性必修选择性必修1111广东教育出版社广东科技出版社广东教育出版社广东科技出版社选择性必修11产品三维设计与制造普 通 高 中 教 科 书主 编 刘琼发广东教育出版社广东科技出版社广 州图书在版编目（CIP）数据通用技术选择性必修11：产品三维设计与制造刘琼发主编广州：广东教育出版社：广东科技出版社，2021.6（2021.12重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-4132-7.通.刘.通用技术高中教材.G634.931中国版本图书馆CIP数据核字（2021）第114294号编 写 单 位：广东教育出版社广东科技出版社主编：刘琼发副主编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲本 册 主 编：黄文华 欧阳汉斌本册副主编：李鉴轶 关颖健编 写 人 员：利时雨 戴振宁 李永欣 谢普生出 版 人：朱文清责 任 编 辑：林 雁责 任 技 编：许伟斌装 帧 设 计：友间文化（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http：/广东新华发行集团股份有限公司经销广州市彩源印刷有限公司（广州市黄埔区百合3路8号邮政编码：510700）890毫米1240毫米16开本6印张132 000字2021年6月第1版2021年12月第2次印刷 ISBN 978-7-5548-4132-7定价：7.36元批准文号：粤发改价格2017434号举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系调换质量监督电话：020-87613102邮箱：gjs-购书咨询电话：020-87772438TONGYONG JISHU XUANZEXING BIXIU 11 CHANPIN SANWEI SHEJI YU ZHIZAO通用技术选择性必修11产品三维设计与制造广东教育出版社广东科技出版社 出版三维打印是近年来受到人们广泛关注的一项高新技术，被誉为开启新工业革命的钥匙，它的发明实现了人类的生产制造模式从等材、减材到增材的重大转变。由于其独特的优势，三维打印技术经历了30多年的发展仍方兴未艾，新技术、新材料、新应用仍源源不断问世，而且被广泛应用于工业制造、航空航天、医疗教育、艺术设计等领域，这一切都展示了三维打印技术强大的生命力和难以估量的发展前景。在本书中，我们分四个章节：三维打印原理、三维产品技术分析、三维模型设计和三维打印技术应用。由浅入深，带领学生了解三维打印技术的产生和发展历程，了解三维打印的基本原理、设备的结构和操作方法；熟悉不同材料和成型工艺的特点，能结合产品设计要求制订合适的产品制作方案；学习三维建模，掌握三维模型设计的基本思路和方法；通过实践操作教学，设计和制作出哨子、台灯等立体模型。教材注重发展学生的核心素养。通过了解三维打印的原理及其应用，感悟三维打印技术对人们生产、生活的影响。选取能突出反映三维打印特点的案例，通过对不同工艺的对比，让学生深刻体会三维打印技术和传统制造技术的区别，帮助学生树立技术意识。所选案例贴近日常生活，方便学生学以致用，在制订方案的过程中，引导学生从实际出发，具体问题具体分析，通过对比、权衡和优化得到最佳方案，以此培养工程思维。在实践操作教学中，帮助学生较全面地掌握三维打印的设计技巧和制作方法，引导学生思考与探究，从而提高实践能力和创新能力。教材还注重对学生科学态度、价值观的引导和培养。本书设计的案例、实践活动、思考、讨论等栏目充分融合了科技与人文理念，如为体育老师制作哨子、为父母制作杯前 言01子、三维打印是否可取代传统制造业、三维打印文物仿品可否代替真品进行展览、三维打印器官的伦理思考等，引导学生从社会、科技、人文等方面进行考虑，从而发展综合素养。运用三维打印技术，不用依赖机床和车间，也不用削、钻、铸等手段，只要借助一台计算机和一台三维打印机，就能让自己变成产品的设计者、制造者。让我们一起走进三维打印的世界，领略它的神奇与不凡；让三维打印成为我们的好帮手，助我们实现脑海中奇妙的构想吧。0201目 录第一章 三维打印原理 .01第一节认识三维打印 .02一、走进生活中的三维打印 .02二、三维打印的发展历史 .04第二节三维打印技术的基本原理 .07一、概念和原理 .07二、特点和优势 .07三、三维打印的流程 .09四、常用的三维打印机 .10本章回顾与评价 .14第二章 三维产品技术分析 .15第一节三维打印的技术类型 .16一、光固化立体成型 .16二、熔融沉积成型 .1701通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造02第二节三维打印的材料 .20一、材料的类型 .20二、材料的特点和应用 .21第三节三维打印的制造方案 .24一、成型工艺的选择 .24二、产品的设计要求 .26三、设计你的三维打印制造方案 .27本章回顾与评价 .29第三章 三维模型设计 .30第一节认识三维建模 .31一、三维数字模型的文件格式 .31二、三维数字模型的获取方式 .33第二节软件建模 .38一、认识建模软件 .38二、三维模型分析 .41三、实践案例：设计创意水杯模型 .44第三节模型切片处理 .48一、认识切片软件 .48二、切片分层与文件格式转换 .52本章回顾与评价 .54第四章 三维打印技术应用 .55第一节三维打印的应用实践 .56一、哨子的制作实践 .56二、台灯的制作实践 .65第二节三维打印的应用现状与技术延伸 .81一、三维打印在各领域的应用 .81二、三维打印技术的延伸 .87本章回顾与评价 .90三维打印技术属于增材制造技术，至今才发展了30多年，却使传统制造业发生了翻天覆地的变化，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，形成了一种全新的制造模式。等材、减材、增材，这三个名词可能同学们还不是很熟悉。举个例子，打铁匠将一块金属反复敲打、锻造成工具或兵器，这块金属在制造前后体积、质量几乎相等，这属于等材制造；雕刻家把一块巨型岩石反复雕刻打磨，凿出许多碎石，岩石最后成为精美的雕塑，但体积、质量都减少了，这属于减材制造。那么什么是增材制造呢？三维打印技术是如何实现增材制造的？它又经历了怎样的发展历程？让我们通过本章的内容，一起来学习吧。三维打印原理第一章通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造02第 一 节认识三维打印学习目标 了解三维打印技术的发展历史。感悟三维打印技术对自然和人类生产、生活方式产生的影响。一、走进生活中的三维打印近年来，“三维打印”一词频繁见诸媒体，三维打印作为一种新的生产方式，由于其独特的优点，受到越来越多行业的青睐，呈现出引领未来工业发展的趋势。其技术和产品也在逐渐走进人们的视野，正悄然改变着人们的生产和生活方式。图1-1三维打印的时装图1-2三维打印的食品图1-1是2017年一场以“水波”为主题的时装秀中展示的三维打印服装，衣服结构复杂、线条感流畅、科技感十足。2015年1月，一幢三维打印的5层楼房出现在苏州（如图1-3所示），该楼房的材料主要是通过回收城市固体垃圾，再经过辐射检测、高温锻造等方法深化处理而获得，楼房最后通过三维打印而建成，十分环保。图1-2是三维打印的巧克力，颜色丰富，造型精美，犹如一件艺术品。图1-3三维打印的建筑03第一章三维打印原理1三维打印技术不仅在衣食住行这些日常方面改变着我们的生活，而且在医学等领域也带来了很多创新。案例2014年，4岁的小程因为交通意外，被迫截掉了左手的5根手指和半个手掌。如果安装义肢则需要花费数万元，而且随着小程长大，后期义肢还需要多次更换。正当并不富裕的一家人一筹莫展时，小程的爸爸听闻国外有一位失去前臂的患儿成功地安装上了三维打印的义肢，花费只需要几千元，而且义肢的三维数字模型已经在互联网上分享，可免费下载。小程的爸爸寻访到武汉协和医院，该医院为小程量身打造并安装了三维打印义肢（如图1-5所示），安装完成后，只经过十几分钟的调试，小程就可以用义肢拿起葡萄和水杯，效果非常好（如图1-6所示）。图1-6安装了三维打印义肢的小程图1-5三维打印的义肢讨论1.你了解的三维打印产品还有哪些？2.用三维打印制造义肢，造福截肢患儿的案例，体现了三维打印技术有哪些特点？2018年3月，全球首款量产三维打印电动车LSEV在北京车展正式亮相（如图1-4所示）。这款车的制造时间只需3天，除了底盘、座椅、轮胎、电动机、电池和玻璃等少数部件之外，其他所有的组件都是通过三维打印而成。该车的续航里程大约为150 km，最大速度为70 km/h。图1-4三维打印的汽车通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造04二、三维打印的发展历史其实三维打印作为一种先进的制造技术，并不是近几年才发明的新科技。早在19世纪末，人们在研究照相雕塑和地貌成形技术时，就萌生了三维打印增材制造的想法。到了20世纪80年代，三维打印技术开始有了雏形。随后，三维打印技术进入快速发展时期，今天，已被广泛应用于工业制造、航空航天、医疗教育、艺术设计等领域。因此有人说三维打印是“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。那么，三维打印经历了怎样的发展历史呢？1984年，利用计算机数字文件制作三维立体模型的构想首次被提出。1987年，世界上第一台三维打印机问世。这台机器基于光固化立体成型技术，型号为SLA-1，当时还不是叫作三维打印机，而是叫作快速成型机器（如图1-7所示）。1988年，将热塑性材料熔化再重新冷却塑形的熔融沉积成型技术（FDM）问世。1989年，用激光束高温烧结粉末原料使其成型固化的选择性激光烧结技术（SLS）问世。1996年，型号为“Z402”的快速成型机器第一次用上了“三维打印机”的名字。2006年，智能打印RepRap开放源码项目启动，该项目是为了开发一种能进行自我复制的三维打印机，即用三维打印机来制作三维打印机自身的零部件。2008年推出的第一台基于RepRap的三维打印机，可以打印约50%的自身部件（如图1-8所示）。图1-8RepRap项目制造的三维打印机图1-7查尔斯胡尔与他发明的SLA-1入选发明家名人堂05第一章三维打印原理1思考你认为RepRap项目能实现三维打印机的完全自我复制吗？2009年，北京航空航天大学利用激光快速成型技术制造出大型客机的主风挡窗框（如图1-9所示），成本仅为模具制造的10%。2013 年，国外企业研制出名为“3Doodler”的三维打印笔，该笔可以通过手持的方式绘制、堆叠，形成立体产品（如图 1-10 所示）。图1-9三维打印制造的大型客机主风挡窗框图1-103Doodler 三维打印笔知识窗三维打印笔可以算得上是微型三维打印机了，实际上，它是一支可以在空气中“书写”的笔，这很容易让人联想到神笔马良的故事。笔中装的“墨水”是聚乳酸或者聚己内酯塑料，“书写”时材料在笔中被加热熔化后挤出，然后在空气中迅速冷却，最后固化成稳定的状态。需要注意的是，三维打印笔属于小型电器，使用时会产生高温，操作时需要小心谨慎。案例“不安全”的三维打印国外有人利用三维打印制作了一把手枪（如图1-11所示），并将手枪的设计图上传至互联网与公众共享。普通民众根据设计图，利用三维打印机即可在短时间内制作出一把可以发射小口径子弹的足以致命的手枪。只要拥有一台三维打印机，就可以轻易地制造出枪支，而且塑料材质的手枪无法被金属探测器检测出。这些用聚合物材料制作的武器也很容易在几分钟之内被熔化，并抹去所有的犯罪证据。这对当前枪支管理的相关法律提出了挑战，未免让人们对三维打印技术产生担忧。图1-11三维打印的手枪通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造06 讨论三维打印技术的应用也具有两面性，你认为，如何才能防止三维打印技术被非法使用？2013年，北京大学第三医院骨科研发出的几十个三维打印的脊柱外科植入物（如图1-12所示），已应用于多例植入置换手术，临床应用效果良好。2015年，一家运动服饰公司推出了一款三维打印的运动鞋，运动鞋的鞋垫