王增福

教學(xué)背景

3D打印技術(shù)不僅在航天航空、醫(yī)療、服飾等領(lǐng)域有用武之地，而且在生活實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了更大的作用，幫助我們解決了很多問題。本節(jié)課設(shè)計(jì)制作的水管過濾器扳手是水管過濾器的一個(gè)配件，在水管過濾器裝卸過程中起著非常重要的輔助作用。它是一個(gè)金屬的配件，能套在水管過濾器外殼上輔助安裝和卸載，外形上看比較單薄，在使用過程中不經(jīng)意就會(huì)丟失。為了解決易丟失這一問題，本節(jié)課就利用3D One設(shè)計(jì)一款水管過濾器扳手，并且對(duì)其打印。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 掌握繪制水管過濾器扳手草圖的方法和技巧;學(xué)會(huì)導(dǎo)出stl格式文件和切片的操作方法。

教學(xué)難點(diǎn) 繪制水管過濾器扳手草圖時(shí)，草圖尺寸大小參數(shù)的設(shè)定。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：我家安裝了一個(gè)水管過濾器，近期感覺水管流速減慢。我覺得可能是水管過濾器中的過濾網(wǎng)堵住了，想把水管過濾器卸載下來，清洗一下過濾網(wǎng)?？墒撬苓^濾器原配的扳手找不到了，大家能幫我出個(gè)主意嗎？

學(xué)生思考并回答。

師：說得對(duì)，我們可以使用3D One設(shè)計(jì)一個(gè)水管過濾器扳手。

二、探索新知

活動(dòng)一：分析水管過濾器扳手結(jié)構(gòu)

師：注意觀察水管過濾器扳手，如圖1。它有什么特點(diǎn)？最關(guān)鍵的部位是哪一部分？

學(xué)生觀看、思考并回答。

教師總結(jié)：扳手主要由凹槽齒圈（近似于齒輪形狀）、手柄和掛圈等3部分組成。其中，帶有凹槽的齒圈是整個(gè)水管過濾器扳手的關(guān)鍵部分，在使用過程中齒圈的凹槽和水管過濾器突起的齒嚙合，使其相互產(chǎn)生作用力，如圖2。

活動(dòng)二：計(jì)算水管過濾器扳手尺寸

師：我們?cè)O(shè)計(jì)的模型要想應(yīng)用于生活，就需要測(cè)量實(shí)物的尺寸大小，然后再根據(jù)測(cè)量的尺寸計(jì)算得到所要設(shè)計(jì)模型的尺寸。那么，請(qǐng)大家想一想，我們?cè)鯓拥玫剿苓^濾器扳手凹槽齒圈內(nèi)壁部分的尺寸大小呢？

學(xué)生思考、討論并回答。

師：由于水管過濾器本身呈圓柱狀，這樣我們使用軟尺測(cè)量出的水管過濾器周長(zhǎng)即為水管過濾器扳手齒圈內(nèi)壁的周長(zhǎng)，然后再根據(jù)圓形周長(zhǎng)的公式計(jì)算出齒圈內(nèi)壁半徑的長(zhǎng)度。經(jīng)過測(cè)量，水管過濾器的周長(zhǎng)是16cm，那凹槽齒圈內(nèi)壁的半徑是多少呢？

學(xué)生思考、計(jì)算，教師巡視指導(dǎo)。

教師總結(jié)：根據(jù)圓形周長(zhǎng)公式C=2πr，我們可以計(jì)算出半徑r的參數(shù)約為2.6cm。

活動(dòng)三：設(shè)計(jì)制作3D模型

（一）畫凹槽齒圈

1.將視圖切換到上視圖，使用“草圖繪制”—“圓形”命令工具，在平面網(wǎng)格上單擊創(chuàng)建一個(gè)草圖界面，然后在Y軸上畫一個(gè)半徑為27mm的圓，單擊確定。

注意：在Y軸上繪制圓形，就是將圓心落在Y軸上畫圓，便于下一步的操作。在3D One中，計(jì)量單位為毫米，所以圓半徑2.6cm可以換算成26mm;考慮到3D打印過程中有可能出現(xiàn)偏差，為了保證打印出來的水管過濾器扳手能夠正常使用，我們?cè)谠O(shè)置設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)時(shí)，要盡可能比實(shí)際測(cè)量的數(shù)值大1～2mm。

2.使用“草圖編輯”—“偏移曲線”工具，對(duì)圓形進(jìn)行偏移，偏移距離為10mm，如圖3，單擊確定。

3.沿著Y軸畫一條垂直線作為鏡像線，然后使用直線畫出凹槽圖形的一半，其中，直線長(zhǎng)度為2.5mm，然后再使用“基本編輯”—“鏡像”工具對(duì)其鏡像，刪除鏡像線，單擊確定。

4.使用“基本編輯”—“陣列”工具，對(duì)凹槽圖形進(jìn)行圓形陣列，將數(shù)目設(shè)為6，間距為60mm，圓心為圓形的圓心，單擊確定后，使用“草圖編輯”—“單擊修剪”工具，修剪多余弧線，如圖4，單擊確定。

（二）畫手柄和掛圈

1.在凹槽齒圈正下方畫一個(gè)半徑為20mm的圓，然后使用直線將凹槽齒圈外圓和下邊的圓形連接，如圖5。然后借助于“草圖編輯”—“單擊修剪”工具，修剪掉草圖中多余部分，單擊確定。

注意：借助于草圖界面工具欄中的“顯示曲線連通性”命令工具，檢查一下草圖經(jīng)過“單擊修剪”后是否有多余的線段，小細(xì)節(jié)部分需要放大后才可以看清，然后使用“單擊修剪”，去掉多余部分。

2.在手柄下方畫一個(gè)半徑為10mm的圓，單擊確定和完成。

（三）拉伸成型

使用“特征造型”—“拉伸”命令工具，對(duì)水管過濾器扳手草圖進(jìn)行拉伸，拉伸的高度為5mm，單擊確定，如圖6。

（四）導(dǎo)出stl格式文件

1.“點(diǎn)擊主菜單—導(dǎo)出—選擇導(dǎo)出文件路徑—輸入導(dǎo)出文件名稱—選擇stl格式—保存”，按這6步導(dǎo)出stl格式文件，在彈出生成stl格式對(duì)話框中單擊確定。

活動(dòng)四：對(duì)模型切片

建好模型，將其導(dǎo)出stl格式文件之后，就可以對(duì)該文件進(jìn)行切片了，因?yàn)橹挥袑?duì)模型切片后才可以通過3D打印機(jī)進(jìn)行打印。那什么是切片呢？我們又該如何對(duì)模型進(jìn)行切片呢？接下來我們就來學(xué)習(xí)切片。

1.切片的概念

切片實(shí)際上就是把3D模型切成一層一層，并將切片后的文件儲(chǔ)存成與3D打印機(jī)相匹配的切片文件格式，這種格式是3D打印機(jī)能直接讀取并使用的文件格式。

2.切片過程

在切片前期，我們都會(huì)先打開切片軟件，設(shè)置好各項(xiàng)軟件參數(shù)，然后導(dǎo)入stl格式文件，再對(duì)其進(jìn)行切片。

注意：在3D打印中，模型的尺寸大小一般情況下都是在建模過程中設(shè)定好的，在切片過程中最好不要更改模型的大小，否則會(huì)影響打印模型在實(shí)際應(yīng)用中的效果。因此，在這里不需要調(diào)整水管過濾器扳手尺寸大小。

最后導(dǎo)出切片格式的文件到電腦，這樣就可以通過3D打印機(jī)將其打印出來應(yīng)用于生活了。

注意：導(dǎo)出時(shí)關(guān)注顯示用料、打印時(shí)間，以及所設(shè)置的精度、底墊和支撐等信息。另外，不同的3D打印機(jī)匹配的切片文件格式可能不同，請(qǐng)選擇與3D打印機(jī)相匹配的切片軟件。

學(xué)生根據(jù)教師講解的切片過程，將自己設(shè)計(jì)的水管過濾器扳手模型進(jìn)行切片。

三、創(chuàng)作體驗(yàn)

結(jié)合本節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容，請(qǐng)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一款能夠解決生活用品或者學(xué)習(xí)用品問題的3D打印作品，注意模型尺寸大小及作品在生活中的實(shí)用性。

教學(xué)反思

本課例從身邊的生活中發(fā)現(xiàn)問題——水管過濾器的安裝與卸載，然后將遇到的問題拿到課堂教學(xué)中，通過3D打印輕松解決安裝與卸載水管過濾器的問題，跨學(xué)科運(yùn)用了數(shù)學(xué)的圓形周長(zhǎng)公式和物理的省力杠桿原理（設(shè)置過濾器扳手的長(zhǎng)度時(shí)）。本節(jié)課結(jié)合案例特點(diǎn)，主要采用了“自主探究”和“教師引導(dǎo)”兩種教學(xué)方式，既培養(yǎng)學(xué)生利用3D打印技術(shù)解決生活中遇到的問題的能力，又引導(dǎo)學(xué)生遇到問題要勤于思考，勇于動(dòng)手操作實(shí)踐。