《第26課 馬良的新“神筆”-3D打印》參考教案

學而優(yōu)教有方2/2第26課馬良的新“神筆”—3D打印教學目標知識與技能：1．了解3D打印機。2．了解3D打印技術(shù)。3．了解3D打印的應(yīng)用。過程與方法：通過師生交流，讓學生了解什么是3D打印機，什么是3D打印技術(shù)，并了解3D打印的應(yīng)用價值。情感、態(tài)度與價值觀：通過對3D打印技術(shù)及其應(yīng)用價值的了解，體會技術(shù)給人們生活帶來的改變。教學重點1．了解3D打印機。2．了解3D打印技術(shù)。教學難點1.了解3D打印技術(shù)。2.3D打印的應(yīng)用。對教材的處理及二次開發(fā)對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）關(guān)于3D打印機（4）3D打印的優(yōu)勢（5）3D打印應(yīng)用領(lǐng)域（6）3D打印的流程教學過程一、導入同學們對3D打印一定不陌生吧？請你跟同學們介紹一下你參3D打印的了解！那么，今天就讓我們一起走進3D打印世界！二、了解3D打印1.什么叫3D打??？它是一種以3D設(shè)計模型文件為基礎(chǔ)，運用不同的打印技術(shù)、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來制造物體的技術(shù)。2.3D打印技術(shù)的起源關(guān)于3D打印技術(shù)的理念，我們要穿越回19世紀，您沒看錯這個是有記錄可以考證的。從歷史上看，快速成型技術(shù)（3D打印技術(shù)）的核心思想最早起源于19世紀照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成形（Topography）技術(shù)。雖然3D打印技術(shù)起源很早，但是受限于當時的材料技術(shù)與計算機技術(shù)等眾多學科，因此并沒有實現(xiàn)廣泛應(yīng)用與商業(yè)化，隨后技術(shù)的正式研究開始于20世紀70年代，直到20世紀80年代技術(shù)才得到了實現(xiàn)。其學名為“快速成形”。三、了解3D打印機1.3D打印機分類目前國內(nèi)還沒有一個明確的3D打印機分類標準，但是我們可以根據(jù)設(shè)備的市場定位將它簡單的分成三類：個人級、專業(yè)級、工業(yè)級。四、了解3D打印技術(shù)1.3D打印的過程3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。2.3D打印原理利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。五、3D打印的應(yīng)用海軍艦艇2014年7月1日，美國海軍試驗了利用3D打印等先進制造技術(shù)快速制造艦艇零件，希望借此提升執(zhí)行任務(wù)速度并降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)活動中舉辦了第一屆制匯節(jié)，開展了一系列“打印艦艇”研討會，并在此期間向水手及其他相關(guān)人員介紹了3D打印及增材制造技術(shù)。美國海軍致力于未來在這方面培訓水手。采用3D打印及其他先進制造方法，能夠顯著提升執(zhí)行任務(wù)速度及預(yù)備狀態(tài)，降低成本，避免從世界各地采購艦船配件。美國海軍作戰(zhàn)艦隊后勤科副科長PhilCullom表示，考慮到成本及海軍后勤及供應(yīng)鏈現(xiàn)存的漏洞，以及面臨的資源約束，先進制造與3D打印的應(yīng)用越來越廣，他們設(shè)想了一個由技術(shù)嫻熟的水手支持的先進制造商的全球網(wǎng)絡(luò)，找出問題并制造產(chǎn)品。航天科技2014年9月底，NASA預(yù)計將完成首臺成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術(shù)制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術(shù)制造整臺儀器的單位。這款太空望遠鏡功能齊全，其50.8毫米的攝像頭使其能夠放進立方體衛(wèi)星（CubeSat，一款微型衛(wèi)星）當中。據(jù)了解，這款太空望遠鏡的外管、外擋板及光學鏡架全部作為單獨的結(jié)構(gòu)直接打印而成，只有鏡面和鏡頭尚未實現(xiàn)。該儀器將于2015年開展震動和熱真空測試。這款長50.8毫米的望遠鏡將全部由鋁和鈦制成，而且只需通過3D打印技術(shù)制造4個零件即可，相比而言，傳統(tǒng)制造方法所需的零件數(shù)是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望遠鏡中，可將用來減少望遠鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統(tǒng)制作方法在一個零件中所無法實現(xiàn)的。美國宇航局正在測試由3D打印出的火箭噴射器3D打印火箭噴射器的測試2014年8月31日，美國宇航局的工程師們剛剛完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在于提高火箭發(fā)動機某個組件的性能，由于噴射器內(nèi)液態(tài)氧和氣態(tài)氫一起混合反應(yīng)，這里的燃燒溫度可達到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產(chǎn)生2萬磅的推力，約為9噸左右，驗證了3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動機制造上的可行性。本項測試工作位于阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這里擁有較為完善的火箭發(fā)動機測試條件，工程師可驗證3D打印部件在點火環(huán)境中的性能。制造火箭發(fā)動機的噴射器需要精度較高的加工技術(shù)，如果使用3D打印技術(shù)，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子。火箭發(fā)動機中的噴射器內(nèi)有數(shù)十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術(shù)測試成功后將用于制造RS-25發(fā)動機，其作為美國宇航局未來太空發(fā)射系統(tǒng)的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。馬歇爾中心的工程部主任克里斯認為3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動機噴油器上應(yīng)用只是第一步，我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設(shè)計與制造，并提高系統(tǒng)的性能，更重要的是可以節(jié)省時間和成本，不太容易出現(xiàn)故障。本次測試中，兩具火箭噴射器進行了點火，每次5秒，設(shè)計人員創(chuàng)建的復雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。2014年10月11日，英國一個發(fā)燒友團隊用3D打印技術(shù)制出了一枚火箭，他們還準備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。該團隊于當?shù)貢r間在倫敦的辦公室向媒體介紹這個世界第一架用3D打印技術(shù)制造出的火箭。團隊隊長海恩斯說，有了3D打印技術(shù)，要制造出高度復雜的形狀并不困難。就算要修改設(shè)計原型，只要在計算機輔助設(shè)計的軟件上做出修改，打印機將會做出相對的調(diào)整。這比之前的傳統(tǒng)制造方式方便許多。既然美國宇航局已經(jīng)在使用3D打印技術(shù)制造火箭的零件，3D打印技術(shù)的前景是十分光明的。據(jù)介紹，這個名為“低軌道氦輔助導航”的工程項目由一家德國數(shù)據(jù)分析公司贊助。打印出的這枚火箭重3公斤，高度相當于一般成年人身高，是該團隊用4年時間、花了6000英鎊制造出來的。等一筆1.5萬英鎊的資助確定之后，他們將于今年底在新墨西哥州的美國航天港發(fā)射該火箭。一個裝滿氦的巨型氣球?qū)鸦鸺嵘?0000米高空，裝置在火箭里的全球定位系統(tǒng)將啟動火箭引擎，火箭噴射速度將達到每小時1610公里。之后，火箭上的自動駕駛系統(tǒng)將引導火箭回返地球，而里頭的攝像機將把整個過程拍攝下來。美國國家航空航天局（NASA）官網(wǎng)2015年4月21日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術(shù)制造首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件以節(jié)約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負責人表示，這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用的新里程碑。俄羅斯技術(shù)集團公司以3D打印技術(shù)制造出的一架無人機樣機2015年6月22日報道，國營企業(yè)俄羅斯技術(shù)集團公司以3D打印技術(shù)制造出一架無人機樣機，重3.8公斤，翼展2.4米，飛行時速可達90至100公里，續(xù)航能力1至1.5小時。公司發(fā)言人弗拉基米爾·庫塔霍夫介紹，公司用兩個半月實現(xiàn)了從概念到原型機的飛躍，實際生產(chǎn)耗時僅為31小時，制造成本不到20萬盧布(約合3700美元)。醫(yī)學領(lǐng)域3D打印肝臟模型日本筑波大學和大日本印刷公司組成的科研團隊2015年7月8日宣布，已研發(fā)出用3D打印機低價制作可以看清血管等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的肝臟立體模型的方法。據(jù)稱，該方法如果投入應(yīng)用就可以為每位患者制作模型，有助于術(shù)前確認手術(shù)順序以及向患者說明治療方法。這種模型是根據(jù)CT等醫(yī)療檢查獲得患者數(shù)據(jù)用3D打印機制作的。模型按照表面外側(cè)線條呈現(xiàn)肝臟整體形狀，詳細地再現(xiàn)其內(nèi)部的血管和腫瘤。由于肝臟模型內(nèi)部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。據(jù)稱，制作模型需要少量價格不菲的樹脂材料，使原本約30萬至40萬日元(約合人民幣1.5萬至2萬元)的制作費降到原先的三分之一以下。利用3D打印技術(shù)制作的內(nèi)臟器官模型主要用于研究，由于價格高昂，在臨床上沒有得到普及?？蒲袌F隊表示，他們一方面爭取到2016年度實現(xiàn)肝臟模型的實際應(yīng)用，另一方面將推進對胰臟等器官模型制作技術(shù)的研發(fā)。3D打印頭蓋骨2014年8月28日，46歲的周至農(nóng)民胡師傅在自家蓋房子時，從3層樓墜落后砸到一堆木頭上，左腦蓋被撞碎，在當?shù)蒯t(yī)院手術(shù)后，胡師傅雖然性命無損，但左腦蓋凹陷，在別人眼里成了個“半頭人”。除了面容異于常人，事故還傷了胡師傅的視力和語言功能。醫(yī)生為幫其恢復形象，采用3D打印技術(shù)輔助設(shè)計缺損顱骨外形，設(shè)計了鈦金屬網(wǎng)重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，最終實現(xiàn)左右對稱。醫(yī)生稱手術(shù)約需5至10小時，除了用鈦網(wǎng)支撐起左邊腦蓋外，還需要從腿部取肌肉進行填補。手術(shù)后，胡師傅的容貌將恢復，至于語言功能還得術(shù)后看恢復情況。3D打印脊椎植入人體2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例。據(jù)了解，這位小男孩的脊椎在一次足球受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫(yī)生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術(shù)比較特殊的是，醫(yī)生并未采用傳統(tǒng)的脊椎移植手術(shù)，而是嘗試先進的3D打印技術(shù)。研究人員表示，這種植入物可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結(jié)合起來，而且還能縮短病人的康復時間。由于植入的3D脊椎可以很好地跟周圍的骨骼結(jié)合在一起，所以它并不需要太多的“錨定”。此外，研究人員還在上面設(shè)立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發(fā)生松動的情況。3D打印手掌3D打印手掌治療殘疾2014年10月，醫(yī)生和科學家們使用3D打印技術(shù)為英國蘇格蘭一名5歲女童裝上手掌。這名女童名為海莉·弗雷澤，出生時左臂就有殘疾，沒有手掌，只有手腕。在醫(yī)生和科學家的合作下，為她設(shè)計了專用假肢并成功安裝。3D打印心臟救活2周大先心病嬰兒2014年10月13日，紐約長老會醫(yī)院的埃米爾·巴查博士(Dr.EmileBacha)醫(yī)生就講述了他使用3D打印的心臟救活一名2周大嬰兒的故事。這名嬰兒患有先天性心臟缺陷，它會在心臟內(nèi)部制造“大量的洞”。在過去，這種類型的手術(shù)需要停掉心臟，將其打開并進行觀察，然后在很短的時間內(nèi)來決定接下來應(yīng)該做什么。但有了3D打印技術(shù)之后，巴查醫(yī)生就可以在手術(shù)之前制作出心臟的模型，從而使他的團隊可以對其進行檢查，然后決定在手術(shù)當中到底應(yīng)該做什么。這名嬰兒原本需要進行3-4次手術(shù)，而現(xiàn)在一次就夠了，這名原本被認為壽命有限的嬰兒可以過上正常的生活。巴查醫(yī)生說，他使用了嬰兒的MRI數(shù)據(jù)和3D打印技術(shù)制作了這個心臟模型。整個制作過程共花費了數(shù)千美元，不過他預(yù)計制作價格會在未來降低。3D打印技術(shù)能夠讓醫(yī)生提前練習，從而減少病人在手術(shù)臺上的時間。3D模型有助于減少手術(shù)步驟，使手術(shù)變得更為安全。2015年1月，在邁阿密兒童醫(yī)院，有一位患有“完全型肺靜脈畸形引流(TAPVC)”的4歲女孩AdanelieGonzalez，由于疾病她的呼吸困難免疫系統(tǒng)薄弱，如果不實施矯正手術(shù)僅能存活數(shù)周甚至數(shù)日。心血管外科醫(yī)生借助3D心臟模型的幫助，通過對小女孩心臟的完全復制3D模型，成功地制定出了一個復雜的矯正手術(shù)方案。最終根據(jù)方案，成功地為小女孩實施了永久手術(shù)，現(xiàn)在小女孩的血液恢復正常流動，身體在治療中逐漸恢復正常。3D打印制藥2015年8月5日，首款由Aprecia制藥公司采用3D打印技術(shù)制備的SPRITAM（左乙拉西坦，levetiracetam）速溶片得到美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）上市批準，并將于2016年正式售賣。這意味著3D打印技術(shù)繼打印人體器官后進一步向制藥領(lǐng)域邁進，對未來實現(xiàn)精準性制藥、針對性制藥有重大的意義。該款獲批上市的“左乙拉西坦速溶片”采用了Aprecia公司自主知識產(chǎn)權(quán)的ZipDose3D打印技術(shù)。通過3D打印制藥生產(chǎn)出來的藥片內(nèi)部具有豐富的孔洞，具有極高的內(nèi)表面積，故能在短時間內(nèi)迅速被少量的水融化。這樣的特性給某些具有吞咽性障礙的患者帶來了福音。這種設(shè)想主要針對病人對藥品數(shù)量的需求問題，可以有效地減少由于藥品庫存而引發(fā)的一系列藥品發(fā)潮變質(zhì)、過期等問題。事實上，3D打印制藥最重要的突破是它能進一步實現(xiàn)為病人量身定做藥品的夢想。3D打印胸腔最近科學家們?yōu)閭鹘y(tǒng)的3D打印身體部件增添了一種鈦制的胸骨和胸腔—3D打印胸腔。這些3D打印部件的幸運接受者是一位54歲的西班牙人，他患有一種胸壁肉瘤，這種腫瘤形成于骨骼、軟組織和軟骨當中。醫(yī)生不得不切除病人的胸骨和部分肋骨，以此阻止癌細胞擴散。這些切除的部位需要找到替代品，在正常情況下所使用的金屬盤會隨著時間變得不牢固，并容易引發(fā)并發(fā)癥。澳大利亞的CSIRO公司創(chuàng)造了一種鈦制的胸骨和肋骨，與患者的幾何學結(jié)構(gòu)完全吻合。CSIRO公司根據(jù)病人的CT掃描設(shè)計并制造所需的身體部件。工作人員會借助CAD軟件設(shè)計身體部分，輸入到3D打印機中。手術(shù)完成兩周后，病人就被允許離開醫(yī)院了，而且一切狀況良好。3D血管打印機2015年10月，我國863計劃3D打印血管項目取得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾生物科技股份有限公司成功研制問世。該款血管打印機性能先進，僅僅2分鐘便打出10厘米長的血管。不同于市面上現(xiàn)有的3D生物打印機，3D生物血管打印機可以打印出血管獨有的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細胞，這是世界首創(chuàng)。房屋建筑一名行人從3D打印建筑旁經(jīng)過2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)交付使用，作為當?shù)貏舆w工程的辦公用房。這些“打印”的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設(shè)計的圖紙和方案，經(jīng)一臺大型3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24小時。2014年9月5日，世界各地的建筑師們正在為打造全球首款3D打印房屋而競賽。3D打印房屋在住房容納能力和房屋定制方面具有意義深遠的突破。在荷蘭首都阿姆斯特丹，一個建筑師團隊已經(jīng)開始制造全球首棟3D打印房屋，而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。這棟建筑名為“運河住宅（CanalHouse）”，由13間房屋組成。這個項目位于阿姆斯特丹北部運河的一塊空地上，有望3年內(nèi)完工。在建中的“運河住宅”已經(jīng)成了公共博物館，美國總統(tǒng)奧巴馬曾經(jīng)到那里參觀。荷蘭DUS建筑師漢斯·韋爾默朗（HansVermeulen）在接受BI采訪時表示，他們的主要目標是“能夠提供定制的房屋?！?014年1月，數(shù)幢使用3D打印技術(shù)建造的建筑亮相蘇州工業(yè)園區(qū)。這批建筑包括一棟面積1100平方米的別墅和一棟6層居民樓。這些建筑的墻體由大型3D打印機層層疊加噴繪而成，而打印使用的“油墨”則由建筑垃圾制成。2015年7月17日上午，由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安，建造方在三個小時完成了別墅的搭建。據(jù)建造方介紹，這座三個小時建成的精裝別墅，只要擺上家具就能拎包入住。汽車行業(yè)車身上靠3D打印出的部件總數(shù)為40個2014年9月15日，世界上已經(jīng)出現(xiàn)3D打印建筑、裙帽以及珠寶等，第一輛3D打印汽車也終于面世。這輛汽車只有40個零部件，建造它花費了44個小時，最低售價1.1萬英鎊（約合人民幣11萬元）。世界第一臺3D打印車已經(jīng)問世——這輛由美國LocalMotors公司設(shè)計制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開啟了汽車行業(yè)新篇章。這款創(chuàng)新產(chǎn)品在為期六天的2014美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會上公開亮相。3D打印技術(shù)打印一輛車需時44小時用3D打印技術(shù)打印一輛斯特拉提轎車并完成組裝需時44小時。整個車身上靠3D打印出的部件總數(shù)為40個，相較傳統(tǒng)汽車20000多個零件來說可謂十分簡潔。充滿曲線的車身由先由黑色塑料制造，再層層包裹碳纖維以增加強度，這一制造設(shè)計尚屬首創(chuàng)。汽車由電池提供動力，最高時速約64公里，車內(nèi)電池可供行駛190至240公里。盡管汽車的座椅、輪胎等可更換部件仍以傳統(tǒng)方式制造，但用3D制造這些零件的計劃已經(jīng)提上日程。制造該轎車的車間里有一架超大的3D打印機，能打印長3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機只能打印25立方厘米大小的東西。美國LocalMotors公司生產(chǎn)的汽車Strati2014年10月29日，在芝加哥舉行的國際制造技術(shù)展覽會上，美國亞利桑那州的LocalMotors汽車公司現(xiàn)場演示世界上第一款3D打印電動汽車的制造過程。這款電動汽車名為“Strati”，整個制造過程僅用了45個小時。Strati采用一體成型車身，最大速度可達到每小時40英里（約合每小時64公里），一次充電可行駛120到150英里（約合190到240公里）。Strati只有49個零部件，動力傳動系統(tǒng)、懸架、電池、輪胎、車輪、線路、電動馬達和擋風玻璃采用傳統(tǒng)技術(shù)制造，包括底盤、儀表板、座椅和車身在內(nèi)的余下部件均由3D打印機打印，所用材料為碳纖維增強熱塑性塑料。Strati的車身一體成型，由3D打印機打印，共有212層碳纖維增強熱塑性塑料。辛辛那提公司負責提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印機，能夠打印3英尺×5英尺×10英尺（約合90厘米×152厘米×305厘米）的零部件。3D打印超級跑車“刀鋒(Blade)”2015年7月，美國舊金山的DivergentMicrofactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超級跑車“刀鋒(Blade)”。該公司表示此款車由一系列鋁制“節(jié)點”和碳纖維管材拼插相連，輕松組裝成汽車底盤，因此更加環(huán)