三维设计与智造课程的宗旨是让学生在教师的指导下,学习相关技术,并运用所学知识与技能,遵循设计思维的方法论,进行有目的的设计与智造,以形成具有一定功能或智能的电子作品或物化产品作为最终成果。
“设计与智造”既是教学目标,又是学习方式,就是在本课程学习中,引领学生在“设计与智造”的过程中学会“设计与智造”的一种沉浸式学习,即技术课程中强调的“做中学、学中做”的理念。具体来说,教学中主要采用项目学习方式,强调学习内容的选择性和整合性、学习过程的开放性和实践性、学习成果的多样性和创新性。通过学习方式的统整和变革,引导学生实现知识与技能的迁移,提高学习效率和技术素养。
学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。三维设计与智造课程统整了通用技术和信息技术的学科内容和育人目标,因此本课程旨在培养学生的信息意识和技术意识、计算思维和工程思维、数字化学习与创新设计、图样表达和物化能力、信息社会责任等核心素养。
一、 什么是三维打印?
三维打印(或3D打印),属于快速成形技术的一种,它是以数字模型文件为基础,运用液态塑料或粉末状金属等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。
三维打印的原理是分层制造,逐层叠加,也称“增材制造”。它区别于传统的车、铣、刨、磨等“减材制造”工艺,具有研发成本低,开发周期短、和一体制造复杂形状工件等优势,未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。
目前较为成熟和具备实际应用潜力的三维打印技术有5种:SLA-立体光固化成型、FDM-熔融沉积建模、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。三维打印机分为桌面级和工业级两类,工业级的打印机精度更高、速度更快、稳定性强,材料选择性多,因而价格更高。
二、 三维打印技术的发展历史
3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术,学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯·胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料,发明出世界上第一台3D打印机,并提交了SLA(光固化)的第一项专利。1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结(SLS)技术。同年,Stratasys公司的联合创始人Scott Crump申请了熔融沉积建模(FDM)专利。
2008年,第一个3D打印的假肢的横空出世,让3D打印在媒体上的占有率进一步提高,人们发现3D打印不仅能打印传统零件,还能应用于人体修复。如今,结合3D扫描,3D打印的医用假体和矫形器越来越便宜,而且速度更快,可满足患者的需求。3D打印为大规模个性化定制带来了新的机遇。
2009年是FDM专利进入大众消费领域的一年,这为FDM 3D打印机的广泛创新开辟了新道路。随着桌面级3D打印机价格下降,越来越多的人开始关注3D打印行业的发展。越来越多的中小型公司利用3D打印提供的低成本原型,将其完全集成到各行各业的产品迭代,创新和生产过程中。
三、 三维打印的应用领域
Wohlers Associate机构是3D打印行业知名的咨询机构,它每年都会在2/3月份发布关于上一年度的综合性行业报告。 根据Wohlers Report 2019的内容,该公司搜集了127家打印服务提供商,71家工业系统制造商以及全球30家第三方材料生产商及桌面级设备厂商的营收信息,绘制了如下饼状图。
从上图可以看出,全球范围内的工业级3D打印主要应用集中在交通运输、航空航天、工业装备、消费级电子产品、医疗五大领域。
每种技术都有自己的优势和局限,同时也会根据市场的需求调整自己的发展曲线,3D打印也是如此。如今,随着3D打印技术的推广和使用,并且被大多数国家和地区以及行业所接受和认可。加上后续在设计思维上的转变,材料种类的丰富,技术成熟度的提升,成本的下降,其会成为传统的制造业中非常重要的一个补充,成为新兴的生产行业和新兴的生产技术,促进传统制造业的转型升级。
四、 三维打印的具体流程
第一步是设计构思,根据需求确定设计目标,绘制草图,设计方案。
第二步是软件建模,用三维建模软件(如3D One)设计数字模型,保存成模型文件(如Z1、STL等文件)。
第三步是切片分层,使用打印机对应的分层软件(如Cura)按照一定的设置参数将模型分层,保存为Gcode等文件格式。
第四步是打印模型,即采用联机或脱机方式打印模型文件,得到三维成品。
第五步是后期处理,包括模型脱离打印底座,拆除支撑,打磨,组装及上色等工序。
动手实践
一、 认识3D One软件
1. 了解软件界面,主要包括中央建模区,文件菜单,视角导航、命令工具栏、浮动工具栏、资源库等部分,如下图所示。中央建模区的每个蓝色网格边长为5mm,大部分的建模命令都在命令工具栏中。
2. 尝试文件操作。
l 使用文件菜单打开老师分发的模型文件。
l 使用视角导航改变视角。
l 使用鼠标左键选择对象,拖动对象。
l 使用鼠标滚轮将中央建模区拉近或推远,按住滚轮移动建模区。
l 按住鼠标右键可以自由转动建模区,从而改变视角。
l 使用浮动工具栏的“显示/隐藏”功能,隐藏或显示选中的对象。
二、小试牛刀-设计糖葫芦
1. 新建模型文件。单击【文件菜单-新建】命令。
2. 设计一根竹签。在命令工具栏中单击【基本实体-圆柱体】,拖放圆柱体至上表面中心。设置其底面半径为1,高度为100,在窗口左上角的”圆柱体”对话框中单击”确定”按钮。
3. 设计一个糖球。在命令工具栏中单击【基本实体-球体】,拖放竹签顶端,球心与顶端重合,半径10。
4. 制作一串糖球。单击选中顶端糖球,在命令工具栏中单击【基本编辑-阵列】,在“阵列”对话框中,设置方向向下,输入阵列的个数为5,高度为80,单击确定。
5. 给糖葫芦上色。选择糖葫芦,在命令工具栏中单击【颜色】,设置为红色,单击“确定”。
6. 保存模型文件。单击【文件菜单-另存为】命令,选择保存位置,输入文件名,单击保存。注意,3Done的默认文件类型是z1。若要保存为其他格式,则应单击【文件菜单-导出】命令。
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