三維數字化設計與制造21世紀技能創新型人才培養系列教材·機械設計制造系列PART01項目1手機支架的設計與3D打印PART02項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3D打印PART03項目3膠槍三維掃描與逆向造型目錄CONTENTSPART04項目4搟面人偶建模、裝配與運動仿真PART01項目1手機支架的設計與3D打印學習活動1調研與準備學習活動2計劃與決策學習活動3實施與改進學習活動4檢查與評價學習活動5素養提升——大國重器項目1手機支架的設計與3D打印◆認知目標（1）能夠根據使用者的需求合理確定手機支架的結構。（2）能夠確定手機支架各部分的連接方式。（3）能夠根據手機支架的結構和組成，使用NX軟件對手機支架的零件進行三維建模。（4）能夠使用3D打印機將零件制造出來并完成裝配。◆能力目標（1）能夠通過網絡、電話、面對面等方式，用合適的市場調研方法對手機支架使用者進行需求調研。（2）能夠對獲取的資料進行歸納總結。（3）能夠根據客戶需求合理制訂工作計劃。（4）能夠依據小組成員的性格特點與技能特長進行合理分工。（5）能夠解讀評價指標。（6）提升對文字、圖像、影像信息的分析與處理能力。（7）能夠以小組為單位對學習過程和工作成果進行多種形式的匯報總結。◆素養目標（1）能夠與團隊成員進行文明、有效的溝通。（2）在學習過程中，時刻保持認真、嚴謹、勤奮。（3）培養獨立思考的意識，樹立責任心。【項目目標】項目1手機支架的設計與3D打印◆很多單位的文職人員需要用手機拍攝客戶的資料并錄入系統，為了減輕工作人員的工作強度，提高錄入效率，請你設計一款手機支架，要求如下：（1）結構簡單，易清洗、消毒。（2）角度可調節。（3）便攜。

【工作情景描述】學習活動1調研與準備學習活動1調研與準備

（1）能夠通過網絡、電話、面對面等方式，用合適的市場調研方法對手機支架使用者進行需求調研。

（2）能夠對獲取的資料進行歸納總結。

（3）能夠與團隊成員進行文明、有效的溝通。【學習目標】學習活動1調研與準備對于市場調研，全球市場研究者協會給出的定義如下：為實現信息目的而進行研究的過程，包括將相應問題所需的信息具體化、設計信息收集的方法、管理并實施數據收集過程、分析研究結果、得出結論并確定其含義等。在分類中，包括定量研究、定性研究、零售研究、媒介和廣告研究、商業和工業研究、對少數民族和特殊群體的研究、民意調查以及桌面研究等。”近年來，隨著互聯網的發展和新技術的應用，市場調研往往采用在線方式，可以擴大調研范圍，提高調研效率。【學習提示】學習活動1調研與準備一、市場調研方法市場調研方法指市場調研人員在實際調研過程中采取的收集資料的方法。可分為普查法、典型調查法、抽樣調查法、訪問調查法等。1.普查法普查法是以市場調查的總體為對象，對市場上某些產品的供應、銷售、庫存與消費情況進行全面調查，以達到準確了解營銷過程中某個過程或方面的全部信息的調查方法。普查法具有全面、精確、相對穩定的優點；缺點是工作量大，會耗費大量人力、物力、財力，調查時間長。2.典型調查法典型調查法是在對市場現象進行總體分析的基礎上，從調查對象中選擇具有代表性的進行深入、系統的調查，通過對典型對象的調查結果來認識同類市場現象的本質和規律。作為一種非全面調查的方法，其優點是非常突出的：調查少量典型單位，可以節省人力、物力、財力；調查內容可以更加深入、全面、細致；節省調查時間，可以迅速取得調查結果，反映市場情況變動比較靈敏。典型調查法的不足之處是：根據調查者的主觀判斷來選擇典型單位，難以完全避免主觀隨意性；對于調查結論的適用范圍，只能根據調查者的經驗判斷，無法用科學的手段準確測定；難以對市場現象總體進行定量研究。【學習提示】學習活動1調研與準備3.抽樣調查法抽樣調查法是根據概率分布的隨機原則（即調查對象都有同等被抽取可能性原則），從調查對象的總體中，按照一定的規則抽取一定數量的樣本進行調查，以推斷出市場需求總量和平均水平的調查方法。該方法主要適用于消費量大、涉及面廣的商品。抽樣調查法包括抽簽抽樣法、機械間隔抽樣法、分類抽樣法。【學習提示】學習活動1調研與準備4.訪問調查法訪問調查法是以訪問作為收集資料的手段，以調查對象的答復作為調查資料的調查方法，又稱直接調查法。訪問調查法包括面談調查法、郵寄調查法、電話調查法、網絡視頻調查法等。其中，面談調查法較為常用，可分為個人面談和小組面談兩種方式。個人面談時，調查員到調查對象住宅、辦公室面談或在街頭進行面談。小組面談時，調查者通常會邀請6到10名調查對象就某一產品、服務或營銷措施進行調查，以獲得更有深度的信息。小組面談是進行大規模市場調查前的一個重要步驟，可以預知消費者的感覺、態度和行為，明確調查所要了解的資料和要解決的問題。面談調查法的優點如下：（1）能當面聽取調查對象的意見，并觀察其反應。（2）回收率高，可以提升調查結果的代表性和準確度。（3）可以從調查對象的個人條件推測其經濟狀況，進而判斷對方回答問題的真實程度。（4）對于調查對象不愿意回答或回答困難的問題，可以詳細解釋，啟發和激勵對方合作，確保調查任務順利完成。面談調查法的缺點如下：（1）調查費用支出大，特別是對于復雜的、大規模的市場進行調查時，人力、財力和物力消耗很大。（2）對調查員的素質要求較高。調查結果易受調查員的工作態度和技術熟練程度的影響。【學習提示】學習活動1調研與準備二、市場調查步驟1.確定研究問題俗話說：“對一個問題做出恰當定義等于解決了一半”。任何問題都存在許多可以調查的焦點，如果不能夠對該問題做出清晰的定義，那么收集信息的成本可能會超過調查所得結果的價值。也就是說，市場調查時問題的確定一定要準，提出的目標一定要明確，這樣便可獲取更直接、有效的信息。例如，消費者認為某公司產品設計落伍；競爭產品的廣告設計較佳。2.初步調查對背景資料進行初步分析，找出問題所在，明確調查課題的關鍵和范圍，選擇最主要的也是最需要的調查目標，確定市場調查方案，主要包括：市場調查的內容、方法和步驟，調查計劃的可行性，經費預算，調查時間等。【學習提示】學習活動1調研與準備3.調查計劃（1）確定時間、地點、范圍、對象。（2）確定調查的方式、方法。（3）確定資料搜集的來源。第一手資料是指為當前特定的調研目標而親自收集的資料，第二手資料是指為其他特定的調研目標而收集的現成資料。（4）確定調查預算。4.設計問卷或調查表問卷或調查表的設計水平很大程度上與設計原則有關，主要設計原則包括：合理性、一般性、邏輯性，提問不能帶有主觀趨向性或暗示性。5.選擇調查人員調查人員素質的高低，直接關系調查質量的好壞。（1）調查人員的選擇。（2）調查人員的培訓。（3）調查人員的管理。【學習提示】學習活動1調研與準備6.資料分類整理（1）編輯。選取有用的資料，并核對資料的準確性和連貫性。（2）匯總。按問題對資料進行分類集中以備調用。（3）分類。根據問題的焦點對資料進行分類，以便有針對性地提供情況或說明問題。（4）制表。將各個調查項目的數據和結果通過圖表的形式展示出來。7.提出調查研究報告市場調查的最后一步就是提出調查研究報告，作為企業進行市場營銷決策的參考。調查研究報告應包括以下幾個方面：（1）導言。（2）調研概況。（3）資料分析。（4）提出建議。撰寫調查研究報告時應注意：主題鮮明集中；結構層次分明；選材正確得當；語言簡潔生動、通俗易懂，切不可咬文嚼字，故弄玄虛。

【學習提示】學習活動2計劃與決策學習活動2計劃與決策（1）能夠根據客戶需求合理制訂工作計劃。（2）能夠依據小組成員的性格特點與技能特長進行合理分工。（3）能夠根據使用者的需求合理確定手機支架的結構。（4）能夠確定手機支架各部分的連接方式。【學習目標】學習活動2計劃與決策一、NX功能概述SIEMENS公司的NX產品系列全面集成了工業設計和造型的解決方案，涵蓋建模、裝配、模擬、制造和產品生命周期管理功能，在機械、汽車、航天、模具、家電、工業設計等領域得到了廣泛應用。1.啟動NX（1）方法一：選擇【開始】→【所有程序】→【SiemensNX】→【NX】命令。（2）方法二：雙擊桌面上的NX快捷方式圖標或雙擊NX創建的PRT文件。2.退出NX退出NX有以下幾種方法：（1）單擊標題欄上的“關閉”按鈕。（2）選擇菜單【文件】→【退出】命令。【學習提示】學習活動2計劃與決策3.NX的界面NX通過與MentorGraphicsCapitalHarness和Xpedition的緊密集成，整合了電氣、機械和控制系統，消除了從開發到制造的創新障礙，可幫助企業縮短產品生命周期。與僅支持CAD的解決方案和封閉型企業解決方案不同，NX設計能夠在開放型協同環境中的開發部門之間提供高級集成，可用于產品設計、工程和制造全范圍的開發過程。NX的界面如圖1-1所示。【學習提示】學習活動2計劃與決策4.文件操作（1）新建文件。選擇菜單【文件】→【新建】命令，系統彈出“新建”對話框。（2）打開文件。選擇菜單【文件】→【打開】命令，系統彈出“打開”對話框。（3）關閉文件。選擇菜單【文件】→【關閉】命令即可關閉文件。（4）導入/導出文件。選擇菜單【文件】→【導入】或【導出】命令可實現文件的導入/導出。（5）保存文件。保存文件的方式有兩種：一種是直接保存，另一種是另存為其他類型。直接保存文件時，選擇菜單【文件】→【保存】命令即可。（6）部件屬性。選擇菜單【文件】→【屬性】命令，系統彈出顯示部件屬性的對話框。【學習提示】學習活動2計劃與決策5.鼠標的使用方法

（1）滾動鼠標中鍵（滾輪）可以縮放模型：向前滾動，模型縮小；向后滾動，模型變大。（2）按住鼠標中鍵移動鼠標，可旋轉模型。（3）按住鍵盤上的Shift鍵，然后按住鼠標中鍵，移動鼠標即可移動模型。（4）按住鍵盤上的Shift鍵，然后按住鼠標左鍵，可取消選擇對象。6.使用NX建模的步驟（1）啟動NX。（2）通過【文件】菜單或工具條中【新建】工具建立部件文件。（3）進入建模模塊。（4）通過草圖或曲線工具建立模型的二維輪廓。（5）通過建模工具建立三維模型。（6）保存文件并退出。【學習提示】學習活動2計劃與決策7.草圖繪制為了準確、高效地繪圖，需要在草圖首選項中進行草繪參數設置和顯示設置。選擇菜單【首選項】→【草圖】命令，系統彈出如圖1-2所示的“草圖首選項”對話框，其中包括【草圖設置】選項卡、【會話設置】選項卡、【部件設置】選項卡。【學習提示】學習活動2計劃與決策創建草圖的一般步驟如下：（1）為用戶要進行建模的特征或部件建立設計意圖。（2）使用用戶的公司標準來設置草圖的層與目錄。（3）檢查和修改草圖參數的預設置。（4）建立和編緝草圖。（5）按用戶的設計意圖約束草圖。（6）使用草圖建立在用戶的模型上的特征。創建草圖只是構建了一個舞臺，要想讓它具有實際意義，還必須繪制草圖曲線。草圖曲線工具條用來直接繪制各種草圖對象，包括點和曲線等。與草圖繪制有關的命令都集中在【插入】→【草圖曲線】和【編輯】→【草圖曲線】兩個菜單中（草圖環境模式下）。【學習提示】學習活動2計劃與決策繪制草圖的方法大致有以下3類：（1）在草圖平面內直接利用各種繪圖命令繪制草圖。（2）調用繪圖工具區內存在的曲線繪制草圖。（3）從實體或片體上提取曲線到草圖中。部分常用的草圖編輯命令介紹如下：（1）快速修剪。單擊【直接草圖】工具條中的【快速修剪】按鈕，或選擇菜單【編輯】→【草圖曲線】→【快速修剪】命令，系統彈出“快速修剪”對話框，該對話框中自動激活了【要修剪的曲線】選項，可以直接單擊選擇要修剪的部分，實現快速修剪。【學習提示】學習活動2計劃與決策（2）草圖圓角。單擊【直接草圖】工具條中的【圓角】按鈕，或選擇菜單【插入】→【草圖曲線】→【圓角】命令，系統彈出“圓角”對話框，該對話框中包含【圓角方法】和【選項】兩個選項組。（3）草圖約束。在NX中，草圖尺寸約束工具在【直接草圖】工具條中；也可在菜單【插入】→【草圖約束】命令的子菜單中調用約束命令。一般情況下，草圖約束包含3種類型，即幾何約束、尺寸約束和定位約束。在NX中繪制草圖時，系統默認自動標注對象尺寸并且自動判斷對象的約束。自動標注尺寸是指每繪制一個對象，系統將自動生成該對象的幾何尺寸和定位尺寸。例如，狀態欄顯示“草圖已被16個自動標注尺寸完全約束”表明草圖已經完全定義。自動判斷約束是指系統根據用戶繪制對象的位置，自動為其添加對應約束。需要說明的是，僅由幾何約束無法完全定義一個草圖。【學習提示】學習活動2計劃與決策在【直接草圖】工具條中，取消選中【創建自動判斷約束】選項和【連續自動標注尺寸】選項，可分別取消自動判斷約束和自動尺寸標注。單擊【直接草圖】工具條中的【自動判斷約束和尺寸】按鈕，系統彈出“自動判斷約束和尺寸”對話框。在該對話框中可以選擇要應用的自動約束，未勾選的約束將不會被自動添加。在該對話框中還可以設置自動標注尺寸的規則。【學習提示】學習活動2計劃與決策8.實體掃掠特征（1）拉伸特征。單擊【特征】工具條中的【拉伸】按鈕，或選擇菜單【插入】→【設計特征】→【拉伸】命令，系統彈出如圖1-3所示的“拉伸”對話框，可進行拉伸特征設置。【學習提示】學習活動2計劃與決策（2）旋轉特征。單擊【特征】工具條中的【旋轉】按鈕，或選擇菜單【插入】→【設計特征】→【旋轉】命令，系統彈出如圖1-4所示的“旋轉”對話框，可進行旋轉特征設置。【學習提示】圖1-4“旋轉”對話框學習活動2計劃與決策（3）沿引導線掃掠特征。單擊【建模】工具條中的【沿引導線掃掠】按鈕，或選擇菜單【插入】→【掃掠】→【沿引導線掃掠】命令，系統彈出如圖1-5所示的“沿引導線掃掠”對話框，可進行掃掠特征設置。【學習提示】學習活動2計劃與決策9.特征修剪（1）抽殼。單擊【特征操作】工具條中的按鈕，或選擇菜單【插入】→【偏置/縮放】→【抽殼】命令，系統彈出如圖1-6所示的“抽殼”對話框。該對話框提供了兩種抽殼方式：“移除面，然后抽殼”和“對所有面抽殼”。（2）分割面。單擊【特征】工具條中的【分割面】按鈕，或選擇菜單【插入】→【修剪】→【分割面】命令，系統彈出如圖1-7所示的“分割面”對話框。【學習提示】學習活動2計劃與決策（3）修剪體。單擊【特征】工具條中的【修剪體】按鈕，或選擇菜單【插入】→【修剪】→【修剪體】命令，系統彈出如圖1-8所示的“修剪體”對話框。要對實體進行修剪，關鍵是選好用來修剪實體的平面，可以是創建的新基準平面或曲面，也可以是系統默認的基準平面。單擊【反向】按鈕，可以切換修剪實體的方向。（4）拆分體。單擊【特征】工具條中的【拆分體】按鈕，或選擇菜單【插入】→【修剪】→【拆分體】命令，系統彈出如圖1-9所示的“拆分體”對話框。選擇拆分實體，然后選擇拆分平面，其操作與修剪實體類似，確定拆分面后，單擊【確定】按鈕便可完成分割實體的操作。【學習提示】學習活動2計劃與決策10.特征的關聯復制單擊【特征】工具條中的【陣列特征】按鈕，或選擇菜單【插入】→【關聯復制】→【陣列特征】命令，系統彈出如圖1-10所示的“陣列特征”對話框，常用的特征有線性、圓形、多邊形、螺旋式、沿、常規和參考等。【學習提示】學習活動2計劃與決策10.特征的關聯復制單擊【特征】工具條中的【陣列特征】按鈕，或選擇菜單【插入】→【關聯復制】→【陣列特征】命令，系統彈出如圖1-10所示的“陣列特征”對話框，常用的特征有線性、圓形、多邊形、螺旋式、沿、常規和參考等。【學習提示】學習活動3實施與改進學習活動3實施與改進（1）能夠根據手機支架的結構和組成，使用NX軟件對手機支架的零件進行三維建模。（2）能夠根據手機支架零部件的連接方式完成裝配。（3）在學習過程中，時刻保持認真、嚴謹、勤奮。【學習目標】學習活動3實施與改進裝配建模模塊是NX中集成的一個重要的應用模塊，該模塊能夠將產品的各個零部件快速組合在一起，形成產品的整體結構，同時可對整個結構執行爆炸操作，便于設計人員更清晰地查看產品的內部結果以及部件的裝配順序。此外，該模塊還允許設計人員對裝配模型執行間隙分析、重量管理，以及將裝配機構引入裝配工程圖等。【學習提示】學習活動3實施與改進一、裝配術語1.裝配

裝配是指在裝配過程中建立部件之間的連接功能，由裝配部件和子裝配組成。2.裝配部件裝配部件是由零件和子裝配構成的部件。NX允許用戶向任何一個Part文件添加部件構成裝配，因此任何—個Part文件都可以作為裝配部件。3.子裝配子裝配是在高一級裝配中被用作組件的裝配，子裝配也擁有自己的組件。子裝配是一個相對的概念，任何一個裝配部件均可在更高級裝配中被用作子裝配。4.組件對象組件對象是一個從裝配部件鏈接到部件主模型的指針實體。一個組件對象記錄的信息包括：部件名稱、層、顏色、線型、線寬、引用集和配對條件等。5.組件組件是裝配中由組件對象所指的部件文件。組件可以是單個部件（即零件）也可以是一個子裝配。組件由裝配部件引用，而不是復制到裝配部件中。【學習提示】學習活動3實施與改進6.單個零件單個零件是指在裝配外存在的零件幾何模型，可以將其添加到某一個裝配中，但它本身不能含有下級組件。7.混合裝配混合裝配是將自頂向下裝配和自底向上裝配結合在一起的裝配方法。8.配對條件配對是由裝配部件中兩組件間特定的約束關系來完成的。裝配時可以通過配對條件確定某組件的位置。9.主模型主模型（MasterMod61）是供NX模塊共同引用的部件模型。同一主模型可同時被工程圖、裝配、加工、機構分析和有限元分析等模塊引用。當主模型修改時，相關應用自動更新。【學習提示】學習活動3實施與改進二、裝配建模創建組件的方式有兩種：一種是先設計好裝配部件的幾何模型，再將該幾何模型添加到裝配中，幾何模型將會自動成為該裝配的一個組件；另一種是先創建一個空的新組件，再在該組件中建立幾何對象或是將原有的幾何對象添加到新建的組件中，則該幾何模型便成為一個組件。具體步驟如下：（1）新建一個裝配部件幾何模型或者打開一個存在的裝配部件幾何模型。（2）選擇要進行裝配的部件幾何模型。（3）設置將部件加入到裝配中的相關信息。1.添加組件單擊【裝配】工具條中的【添加組件】按鈕，或選擇菜單【裝配】→【組件】→【添加組件】命令，系統彈出如圖1-11所示的“添加組件”對話框。【學習提示】學習活動3實施與改進2.設置定位方式在【定位】下拉式列表中有4種執行定位操作的方式，具體如下：（1）絕對原點。選擇該選項，將按照絕對原點定位的方式確定組件在裝配中的位置，執行定位的組件將與原坐標位置保持一致。（2）選擇原點。選擇該選項，將通過指定原點定位的方式確定組件在裝配體中的位置，這樣該組件的坐標系原點與選取的點重合。（3）通過約束。該選項是按配對條件確定部件在裝配中的位置。選擇該選項后，系統彈出“裝配約束”對話框，要求用戶設置部件關聯的各種信息。（4）移動。該選項用于部件添加到裝配中再重新定位。選擇該選項后，系統彈出“點”對話框，用于確定部件在裝配中的目標位置。指定了一定的位置后，系統彈出“移動組件”對話框，要求用戶設置部件重新定位的方式。【學習提示】學習活動3實施與改進三、編輯組件1.刪除組件選擇菜單【編輯】→【刪除】命令，系統彈出“類選擇”對話框，在該對話框中鍵入組件的名稱或是通過選擇球選擇要刪除的組件，單擊【確定】按鈕即可完成該項操作。2.替換組件單擊【裝配】工具條中的【替換組件】按鈕，或選擇菜單【裝配】→【組件】→【替換組件】命令，系統彈出“替換組件”對話框。選擇【要替換的組件】和【替換件】，設置相關選項，如果需要維持配對關系（裝配關系），勾選【單擊維持關系】復選框，最后單擊【確定】按鈕即可完成該項操作。【學習提示】學習活動3實施與改進3.移動組件單擊【裝配】工具條中的【移動組件】按鈕，或選擇菜單【裝配】→【組件】→【移動組件】命令，系統彈出如圖1-12所示的“移動組件”對話框。單擊【是】按鈕，系統彈出“類選擇”對話框，在圖形窗口中選中一個零件后，單擊【確定】按鈕，系統會彈出如圖1-13所示的“重定位組件”對話框。【學習提示】學習活動3實施與改進四、裝配約束裝配約束是通過定義兩個組件之間的約束條件來確定組件在裝配體中的位置，以確定組件在裝配中的相對位置。裝配約束由一個或多個關聯約束組成，關聯約束限制組件在裝配中的自由度。【學習提示】學習活動4檢查與評價學習活動4檢查與評價（1）小組自評內容：小組自評準備、計劃、決策階段的學習效果、任務實施效果、工作頁填寫結果等。（2）小組互評內容：實施過程中，各小組監督員在教師的指導下對其他小組的任務實施過程進行監督，主要檢查任務進度是否按工作計劃實施，以及任務實施效率和小組成員之間的協同作業能力等。（3）教師總評內容：對實施過程的正確性和效率等進行全面檢查，作為考核和評分的依據。（4）能夠歸納整理相關文件資料并撰寫工作總結。【學習目標】學習活動4檢查與評價3D打印技術也稱為增材制造技術或三維打印技術，與傳統的“通過切削去除材料”的加工技術（如車、銑、刨、磨）完全不同，它不需要任何刀具、模具，僅需將經過智能化處理后的3D數字模型文件（CAD模型）輸入3D打印機，便可快速而精確地制造出結構復雜的零件，從而實現“自由制造”。【學習提示】學習活動4檢查與評價一、認識3D打印機1.3D打印的概念3D打印是快速成型技術的一種，也稱增材制造。它是一種以數字三維CAD模型設計文件為基礎，通過高能束源或其他方式對液體、熔融體、粉末、絲、片、板等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，直接構造出物體的技術。加工中心與桌面3D打印機如圖1-14所示。【學習提示】學習活動4檢查與評價2.3D打印的起源及發展3D打印技術的核心制造思想起源于美國。1892年，J.E.Blanther在其專利中曾建議用分層制造法構成地形圖。1902年，CarloBaese的專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結成三維地形圖的方法。20世紀50年代之后，出現了幾百個有關3D打印的專利。隨著3D打印專利技術的不斷發展，用于3D打印的設備也被研發出來。1988年美國的3DSystems公司根據Hull的專利生產出了第一臺商業3D打印設備——SLA-250（光固化成形機），開創了3D打印技術發展的新紀元。在此后的10年中，3D打印技術蓬勃發展，涌現出了十余種新工藝和相應的3D打印設備。【學習提示】學習活動4檢查與評價3.3D打印的優勢與不足（1）制造復雜物品不增加成本。通常來說，物體形狀越復雜，制造成本越高，但是對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品時成本不增加，打印一個華麗的、形狀復雜的物品并不會比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。（2）產品多樣化不增加成本。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本。只需要采用不同的數字設計藍圖和新的原材料就可通過3D打印機打印出形狀各異、材料和顏色多樣的產品。（3）無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。3D打印機通過分層制造可以同時打印多個部件，并以組裝好的形式出現，省略組裝環節也就是縮短了供應鏈，節省了在勞動力和運輸方面的花費。【學習提示】學習活動4檢查與評價（4）零時間交付。3D打印機可以按需打印，即時生產，減少了企業的實物庫存，企業可以根據訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產品以滿足客戶需求，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸和庫存的成本。（5）設計空間無限。傳統制造技術制造的產品形狀有限，造型受制于所使用的工具，3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。（6）零技能制造。批量生產和計算機控制的3D打印機降低了對使用者技能的要求。3D打印機可以從設計文件里獲得各種指示并完成產品制造，制作同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比任何傳統機器都少。（7）不占空間，便攜。3D打印機可以制造和其打印機平臺一樣大的物品，3D打印機調試好后，打印設備可以自由移動。通過移動或機器手式操作，3D打印機可以制造比自身還要大的物品。【學習提示】學習活動4檢查與評價（8）減少廢棄副產品。3D打印機制造金屬零件時產生的副產品較少。隨著打印材料的升級，“凈成形”制造有望成為更環保的加工方式。（9）材料無限組合。隨著多材料3D打印技術的發展，可以將不同原材料融合在一起，以前無法混合的原材料混合后將形成新的材料，這些材料的性能先進、色調繁多，打印出的產品將具有獨特的屬性或功能。（10）精確的實體復制。未來，3D打印會將數字精度擴展到實體世界。掃描技術和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率，人們可以掃描、編輯和復制實體對象，創建精確的副本或優化原件。【學習提示】學習活動4檢查與評價二、熔融沉積成型法熔融沉積成型法（FusedDepositionModeling，FDM）是ScottCrump（Stratasys創始人）于20世紀80年代發明的一種應用廣泛的3D打印技術，同時也是最早開源的3D打印技術之一。1.工作原理詳解（1）塑料絲通過材料管輸送至打印頭內，再通過打印頭內的熱電阻加熱器將塑料絲加熱至半流體狀態（180℃～240℃）。（2）打印頭會在軟件控制下沿CAD確定的二維幾何軌跡運動，同時，打印頭上的打印噴嘴將半流體狀態的塑料擠出在打印平板上并很快凝固，這個過程就像拿著畫筆在一張白紙上畫圖一樣。【學習提示】學習活動4檢查與評價（3）一個切片截面打印完成后，打印平臺沿Z軸向下移動一個層厚的高度，通常為0.1～0.5mm（視機器及參數設定情況確定）。（4）前一個已經打印完的截面就變成了新的打印平面，如此反復，直至整個模型打印完成。如圖1-15所示為熔融沉積成型法工作原理圖，如圖1-16所示為電腦計算切片并生成打印頭運動軌跡。【學習提示】學習活動4檢查與評價2.使用材料FDM3D打印技術使用的主要材料為ABS（AcrylonitrileButadieneStyrene，丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物）和PLA（PolylacticeAcid，生物降解塑料聚乳酸），如圖1-17所示。【學習提示】學習活動4檢查與評價（1）ABS工程塑料。ABS工程塑料具有優良的綜合性能，其強度、柔韌性和機械加工性能優異，并具有更高的耐溫性，是工程機械零部件的優選塑料。ABS工程塑料的缺點是在打印過程中會產生氣味，此外，ABS具有冷收縮性，打印過程中模型易與打印平板脫離。（2）PLA工程塑料。PLA工程塑料是當前桌面式3D打印機使用最廣泛的材料之一，PLA工程塑料是生物可降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）提煉出的淀粉原料制成。【學習提示】學習活動4檢查與評價（3.優勢和不足FDM技術可以說是優缺點對比最強烈的一種3D打印技術。（1）優點。1）工作原理簡單，操作與維護容易。2）3D打印技術開源，用戶普及率高。3）對使用環境幾乎沒有任何限制，可以在辦公室或家中使用。4）打印出來的模型的強度、韌性都很高，可以用于條件苛刻的功能性測試。（2）缺點。1）打印速度比較慢，特別是在打印大尺寸模型或批量打印時速度更慢。2）尺寸精度較差，表面相對粗糙，有清晰的條紋，不適合尺寸精度要求較高的裝配件打印。3）在打印結構形態復雜的模型時，支撐結構很難去除。【學習提示】學習活動4檢查與評價三、桌面式3D打印機3D打印技術起源于20世紀80年代，但無論是技術應用還是產品的設計初衷都集中在工業制造領域，這些3D打印機動輒數百公斤的質量，幾十萬到數百萬的價格，讓普通消費者以及小型公司和設計工作室望塵莫及。隨著產品設計研發周期不斷提速，3D打印技術不斷成熟與多元化，以及越來越多的具有DIY精神的極客、創客的出現，人們對于一款可放置在辦公桌上、結構緊湊小巧、造價相對低廉、操作維護簡便的桌面式3D打印機的需求越來越強烈。目前，桌面式3D打印機采用的主要成型工藝是FDM技術，此外，基于樹脂光固化的SLA技術以及LOM技術是近幾年的新興技術。近年來，3D打印機在個人消費市場的需求急速膨脹。由于個人制造沒有傳統工業技術標準的約束，未來仍將保持相對較快的發展速度，存在巨大的市場潛在需求。本項目所使用的Win3DP-FDM打印機是由北京三維天下科技股份有限公司推出的快捷桌面型3D打印機，成型工藝是FDM技術。

【學習提示】三維數字化設計與制造21世紀技能創新型人才培養系列教材·機械設計制造系列PART01項目1手機支架的設計與3D打印PART02項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3D打印PART03項目3膠槍三維掃描與逆向造型目錄CONTENTSPART04項目4搟面人偶建模、裝配與運動仿真PART02項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3打印學習活動1調研與準備學習活動2計劃與決策學習活動3實施與改進學習活動4檢查與評價學習活動5素養提升——產業之魂項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3打印◆認知目標（1）能夠描述餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的功能，明確工作任務的要求及分工，服從小組工作安排。（2）能夠描述餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的基本結構和工作原理。（3）掌握NX曲面功能。◆能力目標（1）能夠在教師指導下讀懂任務書。（2）會使用網絡查找相關資料文獻，并提煉要點。（3）會使用NX曲線功能進行三維建模。（4）會使用NX裝配模塊快速組合零件。（5）會使用3D打印機打印零部件并進行組裝。（6）3D打印機出現故障時，會進行故障分析并維修。◆素養目標（1）在學習過程中，時刻保持認真、嚴謹、勤奮。（2）能夠在無教師指導的情況下合理分工，協作完成任務。【項目目標】項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3打印隨著我國餐飲業的快速發展，餐廚垃圾產量也逐年增加。起初，國內大多城市將餐廚垃圾與生活垃圾混合處理，以傳統的填埋、焚燒方式為主。但由于餐廚垃圾含水率高、容易腐敗變質、含鹽量高、含油量高等，因此不利于填埋和焚燒處理，且這種處理方式不利于餐廚垃圾中蘊含的營養成分和有機質能量再利用。近年來，人們的環保和衛生意識不斷增強，國家有關部門對餐廚垃圾及廢棄食用油的收運、處理方式逐步完善，相繼出臺了多項政策措施。在這樣的大背景下，某市餐飲集團需要定制一批餐廚垃圾干濕分離垃圾桶放置于餐廳后廚，具體要求如下：【工作情景描述】項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3打印一、功能性要求（1）落地式。（2）可處理蔬菜、帶骨肉類、面食、油湯等餐廚垃圾。（3）干濕分離，油水分離，去水率95%以上，提油純度95%以上。（4）操作簡單。（5）減少餐廚垃圾處理費用70%～80%。油水分離后，因油導致的管道堵塞率降低90%。分離出的油回收后能有效再利用，制成生物燃油等。二、結構性要求（1）機械式。（2）所有結構必須質量可靠，符合相關行業標準規定。（3）設備采用220V交流供電。（4）設備長寬高限制在1000毫米×1000毫米×1100毫米以內。三、效率性要求（1）每小時不間斷處理300公斤。（2）能夠24小時工作。【工作情景描述】項目2餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的設計與3打印四、維護性要求（1）故障率低。（2）容易維護。五、項目造價要求（1）單機成本控制在1萬元以內。（2）市場售價在5.8萬～9.8萬/臺。本項目主要內容是基于NX三維建模軟件，設計該產品的產品結構、零部件三維模型及裝配模型。【工作情景描述】學習活動1調研與準備學習活動1調研與準備（1）能夠描述餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的功能。（2）明確工作任務的要求。（3）能夠描述餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的基本結構和工作原理。（4）會使用網絡查找相關資料文獻，并提煉要點。【學習目標】學習活動1調研與準備Win3DP-FDM打印機是由北京三維天下科技股份有限公司推出的快捷桌面型3D打印機，可快速打印出樣品模型，及時呈現創意火花。Win3DP-FDM打印機主要基于FDM（Fused

Deposition

Modeling）工藝，打印材料（PLA）經導管送至智能控制噴頭后加熱熔融并最終堆積成型。

一、認識打印機1.安裝打印機第1步，取出Win3DP-FDM打印機。第2步，將料軸安裝在3D打印機的后背板上，如圖2-1所示。【學習提示】學習活動1調研與準備第3步：如圖3-2所示，插上電源，打開開關。【學習提示】學習活動1調研與準備第4步：先點擊【移軸】按鈕，然后點擊【歸位】按鈕，如圖2-3所示。【學習提示】學習活動1調研與準備第5步：取出平臺下方的保護泡沫，如圖2-4所示。【學習提示】學習活動1調研與準備第6步：在機器左側找到SD卡槽，插入SD卡，如圖2-6所示。插卡時要注意卡的方向，避免插錯。至此，打印機安裝完畢。【學習提示】學習活動1調研與準備2.按鈕及部件簡介（1）打印機側面：電源口、USB口、SD卡槽、開關鍵，如圖2-6所示。【學習提示】學習活動1調研與準備（2）打印平臺：由平臺、玻璃板、支架及平臺調整螺絲組成，如圖2-7所示。【學習提示】學習活動1調研與準備（3）限位開關：X軸限位開關和Y軸限位開關在外部，如圖2-8和圖2-9所示，Z軸限位開關在內部。【學習提示】學習活動1調研與準備（3）限位開關：X軸限位開關和Y軸限位開關在外部，如圖2-8和圖2-9所示，Z軸限位開關在內部。【學習提示】圖2-9Y軸限位開關學習活動1調研與準備（4）打印頭：由送料器、噴頭、散熱風扇和冷卻風扇組成，如圖2-10所示。【學習提示】學習活動1調研與準備注意，噴頭在工作過程中溫度很高，可達到200℃，不要用手觸碰，以免燙傷。3.主要界面介紹主界面1：上方3個坐標圖是溫度監測曲線圖，實時反映相應部件的溫度，黃線為實時溫度，紅線為設定溫度，如圖2-11所示。【學習提示】學習活動1調研與準備主界面2：3個表分別用于對“打印速度”“風扇轉速”“材料流量”進行檢測與控制，如圖2-12所示。【學習提示】學習活動1調研與準備主界面3：手動控制打印頭和平臺的位移，如圖2-13所示。【學習提示】學習活動1調研與準備主界面4：控制材料的進退料，如圖2-14所示。【學習提示】學習活動1調研與準備主界面5：SD卡界面。如2-15所示，中間一欄為SD卡中已經做好了切片的模型文件，點擊其中一個文件，會在左邊出現3個符號：第1個表示開始打印，第2個表示暫停打印，第3個表示停止打印。【學習提示】學習活動1調研與準備二、打印機的操作流程1.進料把材料通過送料電機送入打印頭，使噴頭能正常擠料打印，這個過程稱為進料。具體操作如下：第1步，向下按住進料口的藍色塑料圈，將白色固定管拔出。第2步，將料盤固定在支架上，將材料的一端穿過白色的固定管，從另一端露出，再用剪刀把材料的這端修剪一個坡口。

第3步：點擊觸摸屏上的【移軸】按鈕，選擇【一鍵進料】，此時機器會自動加熱噴嘴。該過程中觸屏會被鎖定，不響應任何操作。第4步：“嘀”聲響表示達到材料融化溫度，此時將材料用力加入進料口，感到材料被齒輪咬住，好像有一個向下的力拉拽材料即可。此時材料向下運動，噴頭開始擠料，機器發出蜂鳴聲，表示進料操作完畢，觸屏自動解鎖，最后將白色固定管插回原位。【學習提示】學習活動1調研與準備2.打印第1步，插入SD卡。第2步，在平臺玻璃板上均勻涂抹固體膠，不要涂得太厚，涂抹范圍為所打印零件的大小。第3步，在觸摸屏上點擊【SD卡】按鈕，選擇要打印的文件（“.gcode”格式），點擊【開始打印】按鈕。在打印之前，打印頭和平臺都要經過升溫過程，可通過觸摸屏的主界面查看噴嘴升溫曲線和平臺升溫曲線。此時觸摸屏被鎖定。第4步，打印頭開始打印。先在平臺上畫出模型的外輪廓，觀察外輪廓是否貼合牢固、材料是否均勻，如果不是，需要調整平臺再進行打印；如果是，即可開始打印。3.取件第1步，打印完成后，機器會發出提示音，噴頭回到原點，將平臺移至合適位置。第2步，用鏟子將工件從平臺上取下，去除支撐。第3步，整理平臺，歸位。【學習提示】學習活動1調研與準備4.退料第1步，向下按住進料口藍色的塑料片，將白色固定管拔出。第2步，點擊觸摸屏的【移軸】按鈕，選擇【PLA材料】欄下的【一鍵退料】，此時機器會自動升溫，當達到熔化溫度后會自動退料。該過程中觸摸屏會被鎖定，不響應任何操作。當機器發出提示音，表明退料操作完畢，觸摸屏解鎖，向上拔出材料，取走料盤，退料完成。

【學習提示】學習活動2計劃與實施學習活動2計劃與實施（1）明確工作任務的要求及分工，服從小組工作安排。（2）能夠根據甲方對餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的要求確定結構組成。（3）能夠合理選擇餐廚垃圾干濕分離垃圾桶的連接方式。（4）分析各小組成員設計的結構形式，總結出本組最優方案。

【學習目標】學習活動2計劃與實施一、打印機常見問題處理在使用3D打印機打印的過程中，有時會出現模型建立正確，在平板上涂膠或者貼紙的方式正確，但打印時模型發生移位的問題。如何處理呢？打印時，打印頭在Z軸的坐標是不會發生變化的，且平臺的上、下坐標有極限值，如果極限值與噴頭的距離不合適的話，便無法正常打印，此時需要微調平臺的高度。只有兩者的距離合適了，打印時模型才不會移位。1.噴頭與平臺的正確距離在平臺與噴頭之間放置一張A4紙，依次將噴頭移動到平臺4個支點的上方，平行往外拖拽紙張，如果感覺有阻力，但是噴頭又不會撕裂紙張，那么這個距離就是正確的。注意，必須如圖2-16所示的4個支點的距離都正確，才能保證噴頭與平臺的距離正確。【學習提示】學習活動2計劃與實施2.距離誤差對打印的影響若噴頭與平臺距離過小，噴頭擠不出料，打印會有斷裂；若噴頭與平臺距離過大，噴頭擠出的料不能在平臺上粘牢，會跟隨噴頭移動。3.調平臺的具體步驟第1步，點擊【移軸】按鈕，點擊Z軸的向下箭頭，如圖2-17所示，將平臺稍微向下移動。在平臺上鋪一張A4紙，如圖2-18所示，然后按【home】鍵將三軸歸位。【學習提示】學習活動2計