第26课马良的新“神笔”——3D打印

第 26 课 马良的新 “神笔 ” 3D打印教学目标知识与技能：1了解 3D 打印机。2了解 3D 打印技术。3了解 3D 打印的应用。过程与方法：通过师生交流，让学生了解什么是 3D 打印机，什么是 3D 打印技术，并了解 3D 打印的应用价值。情感、态度与价值观：通过对 3D 打印技术及其应用价值的了解，体会技术给人们生活带来的改变。教学重点1了解 3D 打印机。2了解 3D 打印技术。教学难点1. 了解 3D打印技术。2. 3D 打印的应用。对教材的处理及二次开发对 3D打印做全面了解，包括：?1.3D 打印的起源?2. 什么是 3D 打印?3. 关于 3D 打印机?4.3D 打印的优势?5.3D 打印应用领域?6.3D 打印的流程教学过程一、导入同学们对3D 打印一定不陌生吧？请你跟同学们介绍一下你参那么，今天就让我们一起走进3D 打印世界！二、了解3D 打印3D 打印的了解！1. 什么叫 3D 打印？它是一种以3D 设计模型文件为基础，运用不同的打印技术、方式使特定的材料，通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体的技术。2.3D 打印技术的起源关于 3D 打印技术的理念， 我们要穿越回19世纪，您没看错这个是有记录可以考证的。从历史上看，快速成型技术（3D 打印技术）的核心思想最早起源于19世纪照相雕塑（ Photosculpture ）技术和地貌成形（ Topography ）技术。虽然 3D 打印技术起源很早，但是受限于当时的材料技术与计算机技术等众多学科，此并没有实现广泛应用与商业化，随后技术的正式研究开始于20世纪 70年代，直到世纪 80年代技术才得到了实现。其学名为“快速成形”。三、了解3D 打印机因201. 3D 打印机分类目前国内还没有一个明确的3D打印机分类标准， 但是我们可以根据设备的市场定位将它简单的分成三类：个人级、专业级、工业级。四、了解3D 打印技术1.3D 打印的过程3D 打印，是快速成型技术的一种，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。2.3D 打印原理利用 光固化 和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”， 与电脑连接后， 通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。五、 3D 打印的应用海军舰艇2014 年 7 月 1 日，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。2014 年 6 月 24 日至 6 月 26 日，美海军在作战指挥系统活动中举办了第一届制汇节，开展了一系列“打印舰艇”研讨会，并在此期间向水手及其他相关人员介绍了材制造技术。3D 打印及增美国海军致力于未来在这方面培训水手。采用3D 打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。美国海军作战舰队后勤科副科长 Phil Cullom 表示，考虑到成本及海军后勤及供应链现存的漏洞，以及面临的资源约束，先进制造与 3D打印的应用越来越广，他们设想了一个由技术娴熟的水手支持的先进制造商的全球网络，找出问题并制造产品。航天科技2014 年 9 月底， NASA预计将完成首台成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印技术制造。 NASA也因此成为首家尝试使用3D 打印技术制造整台仪器的单位。这款太空望远镜功能齐全，其50.8毫米的摄像头使其能够放进立方体卫星（ CubeSat，一款微型卫星） 当中。据了解， 这款太空望远镜的外管、 外挡板及光学镜架全部作为单独的结构直接打印而成， 只有镜面和镜头尚未实现。 该仪器将于2015 年开展震动和热真空测试。这款长 50.8 毫米的望远镜将全部由铝和钛制成，而且只需通过3D打印技术制造4 个零件即可，相比而言，传统制造方法所需的零件数是3D 打印的5-10 倍。此外，在 3D 打印的望远镜中， 可将用来减少望远镜中杂散光的仪器挡板做成带有角度的样式，这是传统制作方法在一个零件中所无法实现的。3D打印火箭喷射器的测试2014 年 8 月 31 日，美国宇航局的工程师们刚刚完成了3D打印火箭喷射器的测试，本项研究在于提高火箭发动机某个组件的性能，由于喷射器内液态氧和气态氢一起混合反应，这里的燃烧温度可达到6000 华氏度， 大约为 3315 摄氏度， 可产生 2 万磅的推力，约为 9 吨左右，验证了3D 打印技术在火箭发动机制造上的可行性。本项测试工作位于阿拉巴马亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心，这里拥有较为完善的火箭发动机测试条件，工程师可验证3D 打印部件在点火环境中的性能。制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术，如果使用3D 打印技术， 就可以降低制造上的复杂程度，在计算机中建立喷射器的三维图像，打印的材料为金属粉末和激光，在较高的温度下， 金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子。火箭发动机中的喷射器内有数十个喷射元件， 要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，该技术测试成功后将用于制造RS-25 发动机，其作为美国宇航局未来太空发射系统的主要动力，该火箭可运载宇航员超越近地轨道，进入更遥远的深空。马歇尔中心的工程部主任克里斯认为3D 打印技术在火箭发动机喷油器上应用只是第一步，我们的目的在于测试3D 打印部件如何能彻底改变火箭的设计与制造， 并提高系统的性能，更重要的是可以节省时间和成本，不太容易出现故障。本次测试中， 两具火箭喷射器进行了点火，每次 5 秒，设计人员创建的复杂几何流体模型允许氧气和氢气充分混合，压力为每平方英寸1400 磅。2014 年 10 月 11 日，英国一个发烧友团队用3D 打印技术制出了一枚火箭，他们还准备让这个世界上第一个打印出来的火箭升空。该团队于当地时间在伦敦的办公室向媒体介绍这个世界第一架用 3D打印技术制造出的火箭。 团队队长海恩斯说，有了 3D 打印技术， 要制造出高度复杂的形状并不困难。就算要修改设计原型，只要在计算机辅助设计的软件上做出修改，打印机将会做出相对的调整。 这比之前的传统制造方式方便许多。 既然美国宇航局已经在使用 3D打印技术制造火箭的零件， 3D 打印技术的前景是十分光明的。据介绍，这个名为“低轨道氦辅助导航”的工程项目由一家德国数据分析公司赞助。打印出的这枚火箭重3 公斤，高度相当于一般成年人身高，是该团队用4 年时间、 花了 6000英镑制造出来的。 等一笔 1.5 万英镑的资助确定之后，他们将于今年底在新墨西哥州的美国航天港发射该火箭。一个装满氦的巨型气球将把火箭提升到20000 米高空， 装置在火箭里的全球定位系统将启动火箭引擎，火箭喷射速度将达到每小时1610 公里。之后，火箭上的自动驾驶系统将引导火箭回返地球，而里头的摄像机将把整个过程拍摄下来。美国国家航空航天局（NASA）官网 2015 年 4 月 21 日报道， NASA工程人员正通过利用增材制造技术制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件以节约成本，NASA空间技术任务部负责人表示，这是航空航天领域3D打印技术应用的新里程碑。2015 年 6 月 22 日报道，国营企业俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机，重3.8 公斤，翼展2.4 米，飞行时速可达90 至 100 公里， 续航能力 1 至 1.5 小时。公司发言人弗拉基米尔·库塔霍夫介绍，公司用两个半月实现了从概念到原型机的飞跃，实际生产耗时仅为31 小时，制造成本不到20 万卢布 ( 约合 3700 美元 ) 。医学领域3D打印肝脏模型日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队2015 年 7 月 8 日宣布，已研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。据称，该方法如果投入应用就可以为每位患者制作模型，有助于术前确认手术顺序以及向患者说明治疗方法。这种模型是根据 CT等医疗检查获得患者数据用 3D 打印机制作的。模型按照表面外侧线条呈现肝脏整体形状，详细地再现其内部的血管和肿瘤。由于肝脏模型内部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。据称，制作模型需要少量价格不菲的树脂材料， 使原本约 30 万至 40 万日元 ( 约合人民币 1.5 万至 2 万元 ) 的制作费降到原先的三分之一以下。利用 3D 打印技术制作的内脏器官模型主要用于研究，由于价格高昂，在临床上没有得到普及。科研团队表示，他们一方面争取到2016 年度实现肝脏模型的实际应用，另一方面将推进对胰脏等器官模型制作技术的研发。3D打印头盖骨2014 年 8 月 28 日， 46 岁的周至农民胡师傅在自家盖房子时，从3 层楼坠落后砸到一堆木头上，左脑盖被撞碎，在当地医院手术后，胡师傅虽然性命无损，但左脑盖凹陷，在别人眼里成了个“半头人”。除了面容异于常人，事故还伤了胡师傅的视力和语言功能。医生为帮其恢复形象，采用 3D 打印技术辅助设计缺损颅骨外形，设计了钛金属网重建缺损颅眶骨，制作出缺损的左“脑盖”，最终实现左右对称。医生称手术约需 5 至 10 小时，除了用钛网支撑起左边脑盖外，还需要从腿部取肌肉进行填补。手术后，胡师傅的容貌将恢复，至于语言功能还得术后看恢复情况。3D打印脊椎植入人体2014 年 8 月，北京大学研究团队成功地为一名12 岁男孩植入了3D打印脊椎，这属全球首例。 据了解， 这位小男孩的脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤，医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。 不过，这次的手术比较特殊的是， 医生并未采用传统的脊椎移植手术，而是尝试先进的 3D 打印技术。研究人员表示，这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来，而且还能缩短病人的康复时间。由于植入的3D 脊椎可以很好地跟周围的骨骼结合在一起，所以它并不需要太多