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1、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1
2、14294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-
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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
8、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
9、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
10、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，
11、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
12、（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
13、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
14、-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
15、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
16、”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
17、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，运动鞋的鞋垫是多孔状的结构（如图1-13所示），有良好的缓冲避震作用，穿着更加舒适。图1-12三维打印的脊柱植入物图1-13三维打印的运动鞋 探究请同学们以35人为一组，通过参观展览、到图书馆查阅资料、上网浏览等
18、方式，收集有关三维打印技术发展历史和行业应用的信息，并将其分类整理成表格，写出调查报告。习题英国经济学人杂志提到：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1450年的印刷术如此，1750年的蒸汽机如此，1950年的晶体管也是如此。我们仍然无法预测，三维打印将在漫长的时光里如何改变世界。”你认为，三维打印技术对人类历史的进程会造成怎样的影响？07第一章三维打印原理1第 二 节三维打印技术的基本原理学习目标 了解熔融沉积成型三维打印机的运行原理、应用领域和所受到的技术限制。掌握正确、安全操作三维打印机的方法。一、概念和原理三维打印技术是以软件建模、三维扫描等方式获取的三维数字模型为
19、基础，通过软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由三维打印机的数控成型系统利用光照、加热等方式将粉末状、液状或丝状的材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出三维实物的技术，属于增材制造技术。而传统制造是通过削、钻、铣、磨等工艺，把一块原材料雕刻打磨成体积更小的部件，属于减材制造技术。这两者的制作加工方法是截然不同的。三维打印机的运行过程类似于传统的打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把可黏合材料层层堆积叠加形成三维实体；三维打印机与传统打印机最大的区别在于工作的维度，三维打印机不仅能够在平面上工作（X轴、Y 轴），还可以在立体空间内工作（X 轴、Y 轴
20、、Z 轴），通过将许多薄层不断叠加的方式形成立体产品。二、特点和优势传统的产品设计与制造需要经过设计、开模、铸模、组装等工序，往往耗时长、成本高，难以满足顾客的个性化需求。相比之下，三维打印具有多项传统制造工艺无法比拟的优势，例如：1.三维扫描仪和三维建模软件可以实现对物体外形的精确复制。2.三维建模软件能够快速地完成产品设计，且编辑修改便捷。3.三维打印可以制造出传统工艺难以制造的、非常复杂的部件。4.一体成型无须组装，某几种材料也可以共同组合打印。5.无须模具，制造交付时间短。6.原材料利用率高，减少废弃物和副产物的产生。通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造08案例“浑然一体”
21、的新汽车福特汽车公司的创始人亨利福特被誉为“给世界装上轮子的人”，他在1913年建立了世界上第一条汽车生产流水线，将每辆汽车的组装时间由原先的750分钟缩短到90分钟，生产效率大大提高了（如图1-14所示）。汽车生产流水线上的装配参数是统一的，一辆汽车通常有2000030000个零件，组装工序复杂。那么如果想要私人定制一款汽车，通常只能靠人工组装，因此造价高昂。三维打印技术应用到汽车制造行业，则巧妙地解决了定制成本高昂这一问题。2016年，我国增材制造国家研究院研发出一款电动汽车WLC-1（如图1-15所示）。WLC-1的发动机和底盘采用传统工艺和金属材料制造，其他大部分零件都是采用复合材料经
22、三维打印而成，这些零件都可以进行个性化定制。这辆汽车约由100个零部件组成，设计、打印、组装、调试共花费了数十天，而传统汽车仅研发过程就需要35年的时间。图1-14老式汽车生产流水线 图1-15三维打印汽车WLC-1讨论三维打印还有哪些优势？三维打印技术的特点和优势非常突出，许多传统的制造工艺都无法企及。但就目前三维打印技术的发展现状而言，也存在着一些局限性，包括：1可用于三维打印的材料种类相对有限。2产品精度、理化性能尚难以完全满足工程需求。3难以进行大规模生产，制作成本高，制作效率低。探究请组织一场班级内的辩论赛，就“三维打印技术能否取代传统制造业”进行辩论，并记录辩论过程和结果。09第一
23、章三维打印原理1三、三维打印的流程三维打印技术虽然种类多样，但是原理和实施流程都基本一致，实施流程主要分为4个步骤（如图1-16所示）。分层打印，逐层叠加获取三维数字模型切片处理逐层三维打印产品后处理图1-16熔融沉积成型三维打印的基本实施流程获取三维数字模型：首先，我们需要获取作为打印模板的三维数字模型。模型可以通过软件建模、三维扫描、网络下载、数据转换重建等方式获取，其文件通常是STL格式。切片处理：三维数字模型在打印前，还需要对其进行分层切片处理，将模型沿水平面分成若干层，并设置三维打印机的工作参数，如打印层高、打印速度、打印温度等，设置完成后通常导出GCODE格式的文件。逐层三维打印：
24、三维打印机的工作过程是分层打印、逐层叠加，最终形成立体产品。以熔融沉积成型三维打印机为例，打印机接到打印指令后，打印喷头移动到指定位置将高温熔化的耗材挤出，通过喷头的水平移动完成一个薄层的打印，挤出的耗材逐渐降温凝固。然后喷头上升（或工作台下降）一个层高的高度，在上一个薄层的基础上打印新的薄层。如此重复，逐渐打印出立体结构。产品后处理：打印完成后，一个完整的产品就会呈现在我们眼前，此时打印工作还未完全结束，根据产品的表面质量或模型结构，还可能用到去支撑、打磨、上色、拼接、组装等后处理工序（如图1-17所示）。图1-17产品后处理前后的对比通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造10四、
25、常用的三维打印机各种品牌和型号的三维打印机数不胜数，为不同需求的用户提供了丰富的选择空间，其种类一般按成型工艺划分。在这里，我们以一款常见的熔融沉积成型三维打印机为例，为同学们介绍三维打印机的基本结构和操作方法。思考如果我们想要自己组装一台熔融沉积成型三维打印机，需要用到哪些部件呢？这些部件各起什么作用？1.打印机的结构熔融沉积成型三维打印机主要由打印喷头、送丝机、散热风扇、驱动电机、工作平台、数控设备等部件组成。打印喷头：起到熔化材料的作用，由发热块和喷嘴（如图1-18所示）组成。打印喷头具备加热功能，升温熔化材料并将半流体材料从喷嘴细孔挤出。送丝机：起到运送材料的作用（如图1-19所示）。
26、用两个齿轮夹住材料，齿轮转动并将材料不断送入打印喷头中。喷头挤出材料的速度由送丝机齿轮的转动速度控制。送丝机和打印喷头通常都是组合在一起的。材料打印喷头送丝机图1-19送丝机工作示意散热风扇：起到为送丝机和材料降温的作用。以防送丝机长时间高温工作而造成损坏，也可以让喷头挤出的材料快速凝固成型。驱动电机：起到带动打印喷头和平台移动的作用。三维打印机工作时，打印喷头需要不断在X轴、Y轴方向移动，平台需要在Z轴方向移动，这就需要3个驱动电机带动，通常使用步进电机作为驱动电机。工作平台：起到承载打印材料的作用。图1-18喷嘴11第一章三维打印原理1以上几个部分可以从图1-20中看到，三维打印机里面横向
27、和竖向各有数根管子，驱动电机转动的时候，有螺纹的金属杆就会带动打印喷头移动或工作平台升降，其他的管子则用于控制部件平稳移动。最下面的是承载打印产品的工作平台。打印喷头散热风扇工作平台触摸显示屏送丝机金属杆 驱动电机材料图1-20熔融沉积成型三维打印机结构示意数控设备和触摸显示屏：用于控制三维打印机的操作（如图1-21所示）。早期的三维打印机需连接计算机，目前大部分的三维打印机已经具备了脱机打印的功能，只需要将数据复制到便携式存储器，再通过SD卡槽或USB接口连接到三维打印机（如图1-22所示），就可以通过触摸显示屏进行打印操作了。图1-21控制主界面图1-22SD卡槽和USB接口2.打印操作在
28、打印前，应预先阅读打印机说明书，检查喷头是否通畅、零件是否有损坏、线路是否连接正常、平台是否校准等。要注意三维数字模型切片处理时设置的打印参数不应超过打印机可执行的范围。打印时，如果出现设备温度过高、打印声音异常的情况，要关闭电源并及时检查设备。一般的打印操作步骤如下：为打印机装载打印材料，从机箱侧面抽出一段材料，接入送丝机（如图1-23所示）。通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造12图1-23装载打印材料在主界面中选择“预热”，进入“预热”控制界面，可给喷头和工作平台升温预热，图1-24黄色部分显示的是喷头当前的温度和目标温度，“20”是指喷头当前的温度，“210”是指喷头加热的
29、目标温度，目标温度可以通过点击触摸屏中的“增加”“减少”按钮进行修改。图1-24喷头预热在主界面中选择“挤出”，进入“挤出”控制界面，图1-25黄色部分显示的是喷头当前的温度和材料挤出长度，当温度加热到预设的210时就可以按下“进料”按钮，看到熔化的材料从喷嘴挤出，表示机器已经做好打印的准备了。图1-25材料挤出在主界面中选择“打印”，进入“选择文件”控制界面，在显示出的数据文件中，选择想要打印的模型，按下“确定”按钮，三维打印机就开始打印工作了（如图1-26所示）。13第一章三维打印原理1打印完成后，将产品从工作平台上取下，清理工作平台并关闭三维打印机。三维打印机的日常保养维护也是非常重要的
30、，打印机检查项目有：喷头是否堵塞，零部件是否松动或损坏，工作平台贴纸是否需要更换，等等。常见的熔融沉积成型三维打印机的运行原理、设备结构、打印材料等和文中介绍的基本一致，部分细节可能会有所不同。立即行动了解你使用的三维打印机的常见故障及解决办法。思考李老师是一位体育老师，经常需要用哨声来代替口令，哨子是他工作不可或缺的工具。最近他有一个小烦恼，他的哨子声音太刺耳了，而且外观一样的哨子很容易和其他班级老师的哨子弄混。你觉得运用三维打印技术，可以帮助李老师解决遇到的难题吗？如果可以，还需要掌握哪些知识？习题三维打印机的结构是多种多样的，请观察下面的3台三维打印机，试说出它们的打印喷头和工作平台在空
31、间直角坐标系中的移动方向？你认为，打印喷头和工作平台的移动方式会影响产品成型的速度或精度吗？图1-26选择模型文件进行三维打印通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造14一、学习内容梳理本章回顾与评价二、学习评价评价内容评价方式自评互评师评了解三维打印技术的产生和发展历史对三维打印技术给自然和人类生产、生活方式产生的影响有亲身感悟理解三维打印技术的特点、优势和局限理解三维打印技术的原理和实施流程认识熔融沉积成型三维打印机的主要部件和功能能正确、安全地操作三维打印机说明：A优秀，B良好，C合格，D待改进通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？说明：TA技术意识，ID创新设计，ET工程
32、思维，TD图样表达，CM物化能力三维打印原理生活案例发展历史TA ID1认识三维打印概念和原理特点和优势打印流程打印设备设备结构打印操作TA ETTD CM基本原理2三维产品技术分析第二章通过上一章的学习，同学们了解了三维打印的发展历史、概念原理以及打印机的结构和操作方法。实际上，由于打印材料的不同或材料叠加方式的多样，三维打印技术有很多种，人们根据不同的技术研发出了不同类型的打印机，这些打印机有的打印得快速，有的打印得精细，有的能打印金属，各有千秋。因此在开始打印操作之前，我们应该对三维打印的工艺和材料有全面的了解，掌握其特点。在实际应用中，我们还应该从自己的产品需求出发，根据不同工艺和材料
33、的特点做出合理的技术分析，制订出一套适合自己的三维打印制造方案。通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造16第 一 节三维打印的技术类型学习目标 了解常见的三维打印技术。了解不同三维打印成型工艺的特点。一、光固化立体成型光固化立体成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技术是最早问世的三维打印技术，也是当今应用最为广泛的三维打印技术之一，使用的材料主要为液态光敏树脂。光固化立体成型三维打印机工作时，要有一个盛有液态材料的液体槽，通过工作平台上方的紫外光光源发射一定波长的紫外光（波长250300 nm），材料在紫外光的照射下发生聚合反应从而在工作平台上固化
34、。随后，工作平台垂直移动一个层面的高度，形成新的固化工作液面，再次光照固化。如此循环反复，直至产品完全成型（如图2-1所示）。这样的成型方式每层厚度可控制在0.050.15 mm，精度较高，产品的表面平滑整齐（如图2-2所示）。但因为打印材料局限于含有光引发剂的液态材料，所以光固化立体成型技术使用的打印材料较为有限。图2-2光固化立体成型打印的产品液态光敏树脂打印成型的物体液体槽可升降工作平台紫外光光源扫描镜图2-1光固化立体成型原理示意17第二章三维产品技术分析2知识窗选择性激光烧结选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）技术和光固化立体成型技术非常相似，但它
35、是在粉末床中完成的。选择性激光烧结三维打印机工作时，先在工作台中铺上一层粉末，将材料预热至接近其熔点，通过激光光斑烧结特定的区域，使粉末熔化黏接，随后工作平台降低高度再铺上新的工作粉末层，按此程序循环直至物体成型（如图2-3所示）。选择性激光烧结具有适用材料种类广泛的优点，如尼龙、蜡、树脂、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。尤其是三维打印的金属产品，常常会选用这种工艺进行制作（如图2-4所示）。激光器扫描镜粉末床压辊粉末供料活塞活塞 图2-3选择性激光烧结原理示意 图2-4选择性激光烧结打印的产品 二、熔融沉积成型熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术
36、也是当前应用最广泛的三维打印技术之一，许多桌面级的三维打印机都是基于这种成型工艺。熔融沉积成型三维打印机工作时，材料通过送丝机送进打印喷头，并在打印喷头内被加热熔化。打印喷头按计算机设计的路径沿产品截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出到指定位置并使其冷却凝固，依此逐层堆叠最终成型（如图2-5所示）。这项技术的优点很突出：材料利用率高，可配备多个喷头以打印多种材料，可实现多色成型。但缺点也比较明显：机械强度不高、不耐高温、表面质量差，容易出现“台阶效应”（如图2-6所示），较难形成精密复杂的部件。因此，该工艺适用于产品的概念建模、形状和功能测试，不适合制造大型零件，对精度要求高的产品一般
37、较少使用熔融沉积成型技术。通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造18知识窗“台阶效应”是影响成型精度和表面质量的主要因素之一。分层打印时，每一层虽然很薄，但在一定的微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形的，那么就会造成精度上的偏差（如图2-7所示）。“台阶效应”会造成零件形状的变形：有些表面体积缺损，有些表面体积增加。三维打印技术种类很多，目前已经在最初的光固化立体成型技术的基础上衍生出了几十种打印工艺，每种工艺的基本原理都大致相同，但是把原材料堆叠、固化的方式各有不同。立即行动请查阅资料，了解目前常用的三维打印技术还有哪些？各有什么特点？表
38、2-1不同三维打印技术的特点成型工艺特点数字光处理技术（DLP）选择性激光熔化（SLM）三维印刷成型（3DP）图2-7“台阶效应”示意材料送丝机打印喷头工作平台 图2-5熔融沉积成型原理示意 图2-6熔融沉积成型打印的产品19第二章三维产品技术分析2成型工艺特点习题12015年，数栋使用三维打印技术建造的建筑亮相苏州工业园区。负责人介绍：建筑三维打印机利用矿山尾矿和处理后的建筑垃圾制成的混凝土为原料，用机械吊臂控制喷头运动，将墙壁快速地“垒”起来。相比传统建筑技术，可节约建筑材料30%60%，工期缩短50%70%，节约人工50%80%。针对以上材料，你觉得建筑三维打印技术的制造工艺是怎么样的？
39、2光固化立体成型工艺是最早发明的三维打印技术，请观察下图中的两台光固化三维打印机，左图为1.85 m高的工业级打印机，右图为0.5 m高的桌面级打印机。第2题图为什么这两台打印机配有带颜色的罩子，其作用是什么？右图的桌面级光固化三维打印机，工作平台是位于产品上方的，那么这台打印机的工作原理是怎么样的？为什么会设计成这样的结构？续表通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造20第 二 节三维打印的材料学习目标 了解三维打印材料的类型。了解各种三维打印材料的特性和用途。一、材料的类型在三维打印领域，可以用于三维打印的材料有很多，这些材料根据不同的物质形态可分为3类，其分类与设备的材料供应方式
40、和材料的固化方式密切相关。1.固态线材：指加工成12 mm直径的固体线形材料，通常以盘卷的方式储存包装，适用于熔融沉积成型工艺的三维打印机。常见的固态线材以热塑性高分子材料为主，如聚乳酸（PLA）线材，除此之外，一些复合材料、尼龙材料也可以加工成固态线材。2.固态粉末：指粒径小于1 mm的固体颗粒状材料，通常储存在三维打印机的粉末床中，适用于配有粉末床的选择性激光烧结、三维印刷成型等三维打印机。常见的固态粉末有很多种，大多为金属粉末、石膏粉末、尼龙粉末，一些高分子材料也可以制成固态粉末。3.液态材料：指具有流动性、需要液体槽或料仓储存的液态材料。常见的三维打印液态材料是光敏树脂，适用于光固化立
41、体成型的三维打印机。除以上3种物质形态的材料之外，近年来也有多种凝胶状的细胞材料、水凝胶材料问世，适用于化学交联固化和气压挤出成型工艺的三维打印机。思考观察下列的三维打印产品（如图2-8所示），你认为它们是用什么材料制作的？可能用到哪一种成型工艺？21第二章三维产品技术分析2 二、材料的特点和应用为了打印出能维持三维结构的立体实物，三维打印使用的原材料需要具备特殊的理化性质，如机械强度高、耐高温、耐腐蚀等特性。以下是目前常用的三维打印材料。聚乳酸（PLA）：PLA是一种常用的打印材料，这种材料可以降解，十分环保，一般制成固态线材。PLA材料有多种颜色，并且还有半透明的红、蓝、绿等颜色以及全透明
42、的材料（如图2-9所示）。由于PLA材料从打印喷头挤出之后需要立即凝固，因此打印喷头的加热温度设定在比PLA材料熔点高12为宜。不同型号的PLA材料可能存在理化性质差异。图2-9多种颜色的PLA材料及三维打印的产品光敏树脂：又叫UV树脂，一般为液态，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂），在一定波长的紫外光照射下可立刻引起聚合反应，完成固化（如图2-10所示）。图2-10透明光敏树脂打印的产品图2-8多种三维打印的产品通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造22陶瓷：陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优异特性，陶瓷粉末适用于
43、选择性激光烧结加工，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用（如图2-11所示）。图2-11陶瓷材料打印的产品金属：金属材料硬度高，成型后有较高的机械强度（如图2-12所示）。金属粉末适用于选择性激光烧结加工。图2-12金属材料打印的产品三维打印的材料还在不断地发展。除了上述常用的材料，其他的打印材料包括水泥、砂石、纸浆，目前都已有研究和应用，具有十分广阔的应用前景。比如用混凝土来打印房屋，初步实验已经可以打印出小型建筑或建材部件，也有人研究用木材或者纸浆来打印家具，纸浆可以利用回收的废纸加工获得。探究1.查阅学习资料，还有哪些材料可以作为三维打印的原材料？了解这些材料的特点和用途。2.三维
44、打印材料和三维打印技术之间有什么联系？拓展阅读三维打印之后的四维打印正当三维打印方兴未艾之际，四维打印的概念已悄然跃入人们的视野。四维打印，本质上是在三维空间的基础上加多了一个时间的维度，利用一种能够自动23第二章三维产品技术分析2发生变形的材料，我们给材料特定的环境条件（如温度、湿度、光照等），使它按照设计自动地定时折叠成相应的形状（如图2-13所示）。图2-13 四维打印产品示意四维打印最关键的不再是成型工艺的创新，而是在于“智能材料”的发展，目前主要的研究方向是“记忆材料”和“生物合金”。四维打印有广阔的应用前景，比如利用四维打印，未来的防弹衣可能会变得小巧轻薄，便于储存和携带，不增加士
45、兵的负重，就可以提供全面的防护。习题三维打印的原材料利用率很高，但也会产生少量的废弃物。如制作悬空、镂空结构的模型时，我们需要添加支撑结构，在打印完毕后再将支撑结构去除。有人设计制作了一台废料粉碎机和一台简易拉丝机，将废弃的材料收集后用废料粉碎机碾碎，再倒入拉丝机中熔化塑形，拉出线材，实现废料的再利用。这则案例给了你怎样的启发？通过本节内容的学习，你觉得还有哪些方法可以让三维打印制作变得更加节约环保？通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造24第 三 节三维打印的制造方案学习目标 能结合三维打印的成型工艺特点，对设计的产品进行技术分析。能根据产品要求制订合适的制造方案。学会对比、权衡、
46、优化方案，选择最佳的制造方案。一、成型工艺的选择三维打印的成型工艺和材料多种多样且各有特点，当应用三维打印技术来设计和制造立体实物时，我们肯定不希望得到的产品存在瑕疵甚至无法使用，也不希望大材小用浪费资源。想要在一定的条件下获得满意的产品，就需要我们在打印前精心设计出合理的制造方案。案例我国的铁路网络非常发达，部分列车要行驶数千公里跨越数十个城市才到达终点站，这么长距离的行驶对火车零件的性能要求非常高，需要具备较高的强度、韧性、耐磨性，并能承受冲击振动。连接火车车轮与传动连杆的销轴，曾经是通过调质处理工艺进行加工的，这种工艺提高了销轴的韧性，但降低了硬度。销轴在火车长距离的行驶中会造成剧烈磨损
47、，容易导致零件间隙增大而配合失效，甚至可能引发销轴断裂的安全事故。后来，经过专家的讨论分析，针对零件的用途和工作环境，换了另一种工艺进行处理通过表面淬火处理来强化销轴表面的硬度，同时保持了销轴芯部的韧性。这样一来，经过表面淬火处理的销轴在行驶中的磨损大大减少。思考上述案例给了我们什么启示，在制订三维打印的制造方案时，我们应当遵循什么样的原则？讨论如果在资金充足的条件下，普通用途的产品选用具有高强度的钛合金材料进行三维打印制造，是否可取呢？25第二章三维产品技术分析2不同工艺的三维打印技术，其制造时间、制造成本、难易程度大相径庭，不同的产品又有不同的使用要求，那么怎样制订三维打印的制造方案才是最
48、合理的呢？一般地，我们可以从三维打印的成型工艺和产品的设计要求这两个方面来考虑，当两者相符了，才可能制造出符合预期的产品（如图2-14所示）。产品的设计要求成型工艺产品精度产品材质产品尺寸 工艺特点适用材料制造成本 图2-14制造方案分析示意三维打印技术有多种成型工艺，每种成型工艺又对应不同的三维打印机类型，不同成型工艺的三维打印机，其设备成本、运行成本、适用范围和使用的材料都是有区别的（如表2-2所示）。表2-2成型工艺的特点对比三维打印技术设备成本运行成本适用范围所用原料光固化立体成型较高材料利用率较高，设备运行成本高制作结构复杂、高精度的产品光敏树脂熔融沉积成型较低材料利用率高，设备运行
49、成本低制作结构简单、低精度的产品热塑性材料，如PLA、聚丙烯等选择性激光烧结昂贵材料利用率高，设备运行成本居中制 作 铸 造 用 模具、功能部件等金属粉末、陶瓷粉末、尼龙粉末、蜡等不同的成型工艺对应不同的打印材料，一种打印机还可能适用于多种材料。因此我们应该根据产品的用途、材质要求、材料成本选择适合的打印材料（如表2-3所示）。表2-3三维打印材料的特性对比三维打印材料材料成本材料特性PLA较低生物可降解材料，光泽性好，有多种颜色可选用光敏树脂中等半透明状材料，防水、低气味、低刺激成分钛合金粉末较高强度高、耐腐蚀，生物相容性好尼龙粉末中等密度小，耐磨损，抗拉伸强度高综上所述，对于三维打印成型工
50、艺的选择，需要从成型精度、打印速度、材料特性、制作成本等多方面综合考虑，做到资源的合理配置和使用。通用技术选 择 性 必 修11产品三维设计与制造26二、产品的设计要求产品的设计要求也是在制订方案中需要着重考虑的。三维打印是以三维数字模型为模板进行制作的，如何更便捷地获得高质量的三维数字模型，直接关系到制造的难易程度和效率（如表2-4所示）。表2-4模型获取方式对比获取方式案例关键工具优点缺点网络下载制作一个玩具机器人模型，对细节没有特殊要求网络模型库检索简单，下载快速、便捷可能无法找到理想的模型，模型下载可能需要付费三维扫描对破损的文物雕像进行三维重建三维扫描仪较快速、准确地复制模型细节呈现