《三维数字化设计与制造》 课件 项目1、2 手机支架的设计与3D打印、餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3D打印

三维数字化设计与制造21世纪技能创新型人才培养系列教材·机械设计制造系列PART01项目1手机支架的设计与3D打印PART02项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3D打印PART03项目3胶枪三维扫描与逆向造型目录CONTENTSPART04项目4擀面人偶建模、装配与运动仿真PART01项目1手机支架的设计与3D打印学习活动1调研与准备学习活动2计划与决策学习活动3实施与改进学习活动4检查与评价学习活动5素养提升——大国重器项目1手机支架的设计与3D打印◆认知目标（1）能够根据使用者的需求合理确定手机支架的结构。（2）能够确定手机支架各部分的连接方式。（3）能够根据手机支架的结构和组成，使用NX软件对手机支架的零件进行三维建模。（4）能够使用3D打印机将零件制造出来并完成装配。◆能力目标（1）能够通过网络、电话、面对面等方式，用合适的市场调研方法对手机支架使用者进行需求调研。（2）能够对获取的资料进行归纳总结。（3）能够根据客户需求合理制订工作计划。（4）能够依据小组成员的性格特点与技能特长进行合理分工。（5）能够解读评价指标。（6）提升对文字、图像、影像信息的分析与处理能力。（7）能够以小组为单位对学习过程和工作成果进行多种形式的汇报总结。◆素养目标（1）能够与团队成员进行文明、有效的沟通。（2）在学习过程中，时刻保持认真、严谨、勤奋。（3）培养独立思考的意识，树立责任心。【项目目标】项目1手机支架的设计与3D打印◆很多单位的文职人员需要用手机拍摄客户的资料并录入系统，为了减轻工作人员的工作强度，提高录入效率，请你设计一款手机支架，要求如下：（1）结构简单，易清洗、消毒。（2）角度可调节。（3）便携。

【工作情景描述】学习活动1调研与准备学习活动1调研与准备

（1）能够通过网络、电话、面对面等方式，用合适的市场调研方法对手机支架使用者进行需求调研。

（2）能够对获取的资料进行归纳总结。

（3）能够与团队成员进行文明、有效的沟通。【学习目标】学习活动1调研与准备对于市场调研，全球市场研究者协会给出的定义如下：为实现信息目的而进行研究的过程，包括将相应问题所需的信息具体化、设计信息收集的方法、管理并实施数据收集过程、分析研究结果、得出结论并确定其含义等。在分类中，包括定量研究、定性研究、零售研究、媒介和广告研究、商业和工业研究、对少数民族和特殊群体的研究、民意调查以及桌面研究等。”近年来，随着互联网的发展和新技术的应用，市场调研往往采用在线方式，可以扩大调研范围，提高调研效率。【学习提示】学习活动1调研与准备一、市场调研方法市场调研方法指市场调研人员在实际调研过程中采取的收集资料的方法。可分为普查法、典型调查法、抽样调查法、访问调查法等。1.普查法普查法是以市场调查的总体为对象，对市场上某些产品的供应、销售、库存与消费情况进行全面调查，以达到准确了解营销过程中某个过程或方面的全部信息的调查方法。普查法具有全面、精确、相对稳定的优点；缺点是工作量大，会耗费大量人力、物力、财力，调查时间长。2.典型调查法典型调查法是在对市场现象进行总体分析的基础上，从调查对象中选择具有代表性的进行深入、系统的调查，通过对典型对象的调查结果来认识同类市场现象的本质和规律。作为一种非全面调查的方法，其优点是非常突出的：调查少量典型单位，可以节省人力、物力、财力；调查内容可以更加深入、全面、细致；节省调查时间，可以迅速取得调查结果，反映市场情况变动比较灵敏。典型调查法的不足之处是：根据调查者的主观判断来选择典型单位，难以完全避免主观随意性；对于调查结论的适用范围，只能根据调查者的经验判断，无法用科学的手段准确测定；难以对市场现象总体进行定量研究。【学习提示】学习活动1调研与准备3.抽样调查法抽样调查法是根据概率分布的随机原则（即调查对象都有同等被抽取可能性原则），从调查对象的总体中，按照一定的规则抽取一定数量的样本进行调查，以推断出市场需求总量和平均水平的调查方法。该方法主要适用于消费量大、涉及面广的商品。抽样调查法包括抽签抽样法、机械间隔抽样法、分类抽样法。【学习提示】学习活动1调研与准备4.访问调查法访问调查法是以访问作为收集资料的手段，以调查对象的答复作为调查资料的调查方法，又称直接调查法。访问调查法包括面谈调查法、邮寄调查法、电话调查法、网络视频调查法等。其中，面谈调查法较为常用，可分为个人面谈和小组面谈两种方式。个人面谈时，调查员到调查对象住宅、办公室面谈或在街头进行面谈。小组面谈时，调查者通常会邀请6到10名调查对象就某一产品、服务或营销措施进行调查，以获得更有深度的信息。小组面谈是进行大规模市场调查前的一个重要步骤，可以预知消费者的感觉、态度和行为，明确调查所要了解的资料和要解决的问题。面谈调查法的优点如下：（1）能当面听取调查对象的意见，并观察其反应。（2）回收率高，可以提升调查结果的代表性和准确度。（3）可以从调查对象的个人条件推测其经济状况，进而判断对方回答问题的真实程度。（4）对于调查对象不愿意回答或回答困难的问题，可以详细解释，启发和激励对方合作，确保调查任务顺利完成。面谈调查法的缺点如下：（1）调查费用支出大，特别是对于复杂的、大规模的市场进行调查时，人力、财力和物力消耗很大。（2）对调查员的素质要求较高。调查结果易受调查员的工作态度和技术熟练程度的影响。【学习提示】学习活动1调研与准备二、市场调查步骤1.确定研究问题俗话说：“对一个问题做出恰当定义等于解决了一半”。任何问题都存在许多可以调查的焦点，如果不能够对该问题做出清晰的定义，那么收集信息的成本可能会超过调查所得结果的价值。也就是说，市场调查时问题的确定一定要准，提出的目标一定要明确，这样便可获取更直接、有效的信息。例如，消费者认为某公司产品设计落伍；竞争产品的广告设计较佳。2.初步调查对背景资料进行初步分析，找出问题所在，明确调查课题的关键和范围，选择最主要的也是最需要的调查目标，确定市场调查方案，主要包括：市场调查的内容、方法和步骤，调查计划的可行性，经费预算，调查时间等。【学习提示】学习活动1调研与准备3.调查计划（1）确定时间、地点、范围、对象。（2）确定调查的方式、方法。（3）确定资料搜集的来源。第一手资料是指为当前特定的调研目标而亲自收集的资料，第二手资料是指为其他特定的调研目标而收集的现成资料。（4）确定调查预算。4.设计问卷或调查表问卷或调查表的设计水平很大程度上与设计原则有关，主要设计原则包括：合理性、一般性、逻辑性，提问不能带有主观趋向性或暗示性。5.选择调查人员调查人员素质的高低，直接关系调查质量的好坏。（1）调查人员的选择。（2）调查人员的培训。（3）调查人员的管理。【学习提示】学习活动1调研与准备6.资料分类整理（1）编辑。选取有用的资料，并核对资料的准确性和连贯性。（2）汇总。按问题对资料进行分类集中以备调用。（3）分类。根据问题的焦点对资料进行分类，以便有针对性地提供情况或说明问题。（4）制表。将各个调查项目的数据和结果通过图表的形式展示出来。7.提出调查研究报告市场调查的最后一步就是提出调查研究报告，作为企业进行市场营销决策的参考。调查研究报告应包括以下几个方面：（1）导言。（2）调研概况。（3）资料分析。（4）提出建议。撰写调查研究报告时应注意：主题鲜明集中；结构层次分明；选材正确得当；语言简洁生动、通俗易懂，切不可咬文嚼字，故弄玄虚。

【学习提示】学习活动2计划与决策学习活动2计划与决策（1）能够根据客户需求合理制订工作计划。（2）能够依据小组成员的性格特点与技能特长进行合理分工。（3）能够根据使用者的需求合理确定手机支架的结构。（4）能够确定手机支架各部分的连接方式。【学习目标】学习活动2计划与决策一、NX功能概述SIEMENS公司的NX产品系列全面集成了工业设计和造型的解决方案，涵盖建模、装配、模拟、制造和产品生命周期管理功能，在机械、汽车、航天、模具、家电、工业设计等领域得到了广泛应用。1.启动NX（1）方法一：选择【开始】→【所有程序】→【SiemensNX】→【NX】命令。（2）方法二：双击桌面上的NX快捷方式图标或双击NX创建的PRT文件。2.退出NX退出NX有以下几种方法：（1）单击标题栏上的“关闭”按钮。（2）选择菜单【文件】→【退出】命令。【学习提示】学习活动2计划与决策3.NX的界面NX通过与MentorGraphicsCapitalHarness和Xpedition的紧密集成，整合了电气、机械和控制系统，消除了从开发到制造的创新障碍，可帮助企业缩短产品生命周期。与仅支持CAD的解决方案和封闭型企业解决方案不同，NX设计能够在开放型协同环境中的开发部门之间提供高级集成，可用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。NX的界面如图1-1所示。【学习提示】学习活动2计划与决策4.文件操作（1）新建文件。选择菜单【文件】→【新建】命令，系统弹出“新建”对话框。（2）打开文件。选择菜单【文件】→【打开】命令，系统弹出“打开”对话框。（3）关闭文件。选择菜单【文件】→【关闭】命令即可关闭文件。（4）导入/导出文件。选择菜单【文件】→【导入】或【导出】命令可实现文件的导入/导出。（5）保存文件。保存文件的方式有两种：一种是直接保存，另一种是另存为其他类型。直接保存文件时，选择菜单【文件】→【保存】命令即可。（6）部件属性。选择菜单【文件】→【属性】命令，系统弹出显示部件属性的对话框。【学习提示】学习活动2计划与决策5.鼠标的使用方法

（1）滚动鼠标中键（滚轮）可以缩放模型：向前滚动，模型缩小；向后滚动，模型变大。（2）按住鼠标中键移动鼠标，可旋转模型。（3）按住键盘上的Shift键，然后按住鼠标中键，移动鼠标即可移动模型。（4）按住键盘上的Shift键，然后按住鼠标左键，可取消选择对象。6.使用NX建模的步骤（1）启动NX。（2）通过【文件】菜单或工具条中【新建】工具建立部件文件。（3）进入建模模块。（4）通过草图或曲线工具建立模型的二维轮廓。（5）通过建模工具建立三维模型。（6）保存文件并退出。【学习提示】学习活动2计划与决策7.草图绘制为了准确、高效地绘图，需要在草图首选项中进行草绘参数设置和显示设置。选择菜单【首选项】→【草图】命令，系统弹出如图1-2所示的“草图首选项”对话框，其中包括【草图设置】选项卡、【会话设置】选项卡、【部件设置】选项卡。【学习提示】学习活动2计划与决策创建草图的一般步骤如下：（1）为用户要进行建模的特征或部件建立设计意图。（2）使用用户的公司标准来设置草图的层与目录。（3）检查和修改草图参数的预设置。（4）建立和编缉草图。（5）按用户的设计意图约束草图。（6）使用草图建立在用户的模型上的特征。创建草图只是构建了一个舞台，要想让它具有实际意义，还必须绘制草图曲线。草图曲线工具条用来直接绘制各种草图对象，包括点和曲线等。与草图绘制有关的命令都集中在【插入】→【草图曲线】和【编辑】→【草图曲线】两个菜单中（草图环境模式下）。【学习提示】学习活动2计划与决策绘制草图的方法大致有以下3类：（1）在草图平面内直接利用各种绘图命令绘制草图。（2）调用绘图工具区内存在的曲线绘制草图。（3）从实体或片体上提取曲线到草图中。部分常用的草图编辑命令介绍如下：（1）快速修剪。单击【直接草图】工具条中的【快速修剪】按钮，或选择菜单【编辑】→【草图曲线】→【快速修剪】命令，系统弹出“快速修剪”对话框，该对话框中自动激活了【要修剪的曲线】选项，可以直接单击选择要修剪的部分，实现快速修剪。【学习提示】学习活动2计划与决策（2）草图圆角。单击【直接草图】工具条中的【圆角】按钮，或选择菜单【插入】→【草图曲线】→【圆角】命令，系统弹出“圆角”对话框，该对话框中包含【圆角方法】和【选项】两个选项组。（3）草图约束。在NX中，草图尺寸约束工具在【直接草图】工具条中；也可在菜单【插入】→【草图约束】命令的子菜单中调用约束命令。一般情况下，草图约束包含3种类型，即几何约束、尺寸约束和定位约束。在NX中绘制草图时，系统默认自动标注对象尺寸并且自动判断对象的约束。自动标注尺寸是指每绘制一个对象，系统将自动生成该对象的几何尺寸和定位尺寸。例如，状态栏显示“草图已被16个自动标注尺寸完全约束”表明草图已经完全定义。自动判断约束是指系统根据用户绘制对象的位置，自动为其添加对应约束。需要说明的是，仅由几何约束无法完全定义一个草图。【学习提示】学习活动2计划与决策在【直接草图】工具条中，取消选中【创建自动判断约束】选项和【连续自动标注尺寸】选项，可分别取消自动判断约束和自动尺寸标注。单击【直接草图】工具条中的【自动判断约束和尺寸】按钮，系统弹出“自动判断约束和尺寸”对话框。在该对话框中可以选择要应用的自动约束，未勾选的约束将不会被自动添加。在该对话框中还可以设置自动标注尺寸的规则。【学习提示】学习活动2计划与决策8.实体扫掠特征（1）拉伸特征。单击【特征】工具条中的【拉伸】按钮，或选择菜单【插入】→【设计特征】→【拉伸】命令，系统弹出如图1-3所示的“拉伸”对话框，可进行拉伸特征设置。【学习提示】学习活动2计划与决策（2）旋转特征。单击【特征】工具条中的【旋转】按钮，或选择菜单【插入】→【设计特征】→【旋转】命令，系统弹出如图1-4所示的“旋转”对话框，可进行旋转特征设置。【学习提示】图1-4“旋转”对话框学习活动2计划与决策（3）沿引导线扫掠特征。单击【建模】工具条中的【沿引导线扫掠】按钮，或选择菜单【插入】→【扫掠】→【沿引导线扫掠】命令，系统弹出如图1-5所示的“沿引导线扫掠”对话框，可进行扫掠特征设置。【学习提示】学习活动2计划与决策9.特征修剪（1）抽壳。单击【特征操作】工具条中的按钮，或选择菜单【插入】→【偏置/缩放】→【抽壳】命令，系统弹出如图1-6所示的“抽壳”对话框。该对话框提供了两种抽壳方式：“移除面，然后抽壳”和“对所有面抽壳”。（2）分割面。单击【特征】工具条中的【分割面】按钮，或选择菜单【插入】→【修剪】→【分割面】命令，系统弹出如图1-7所示的“分割面”对话框。【学习提示】学习活动2计划与决策（3）修剪体。单击【特征】工具条中的【修剪体】按钮，或选择菜单【插入】→【修剪】→【修剪体】命令，系统弹出如图1-8所示的“修剪体”对话框。要对实体进行修剪，关键是选好用来修剪实体的平面，可以是创建的新基准平面或曲面，也可以是系统默认的基准平面。单击【反向】按钮，可以切换修剪实体的方向。（4）拆分体。单击【特征】工具条中的【拆分体】按钮，或选择菜单【插入】→【修剪】→【拆分体】命令，系统弹出如图1-9所示的“拆分体”对话框。选择拆分实体，然后选择拆分平面，其操作与修剪实体类似，确定拆分面后，单击【确定】按钮便可完成分割实体的操作。【学习提示】学习活动2计划与决策10.特征的关联复制单击【特征】工具条中的【阵列特征】按钮，或选择菜单【插入】→【关联复制】→【阵列特征】命令，系统弹出如图1-10所示的“阵列特征”对话框，常用的特征有线性、圆形、多边形、螺旋式、沿、常规和参考等。【学习提示】学习活动2计划与决策10.特征的关联复制单击【特征】工具条中的【阵列特征】按钮，或选择菜单【插入】→【关联复制】→【阵列特征】命令，系统弹出如图1-10所示的“阵列特征”对话框，常用的特征有线性、圆形、多边形、螺旋式、沿、常规和参考等。【学习提示】学习活动3实施与改进学习活动3实施与改进（1）能够根据手机支架的结构和组成，使用NX软件对手机支架的零件进行三维建模。（2）能够根据手机支架零部件的连接方式完成装配。（3）在学习过程中，时刻保持认真、严谨、勤奋。【学习目标】学习活动3实施与改进装配建模模块是NX中集成的一个重要的应用模块，该模块能够将产品的各个零部件快速组合在一起，形成产品的整体结构，同时可对整个结构执行爆炸操作，便于设计人员更清晰地查看产品的内部结果以及部件的装配顺序。此外，该模块还允许设计人员对装配模型执行间隙分析、重量管理，以及将装配机构引入装配工程图等。【学习提示】学习活动3实施与改进一、装配术语1.装配

装配是指在装配过程中建立部件之间的连接功能，由装配部件和子装配组成。2.装配部件装配部件是由零件和子装配构成的部件。NX允许用户向任何一个Part文件添加部件构成装配，因此任何—个Part文件都可以作为装配部件。3.子装配子装配是在高一级装配中被用作组件的装配，子装配也拥有自己的组件。子装配是一个相对的概念，任何一个装配部件均可在更高级装配中被用作子装配。4.组件对象组件对象是一个从装配部件链接到部件主模型的指针实体。一个组件对象记录的信息包括：部件名称、层、颜色、线型、线宽、引用集和配对条件等。5.组件组件是装配中由组件对象所指的部件文件。组件可以是单个部件（即零件）也可以是一个子装配。组件由装配部件引用，而不是复制到装配部件中。【学习提示】学习活动3实施与改进6.单个零件单个零件是指在装配外存在的零件几何模型，可以将其添加到某一个装配中，但它本身不能含有下级组件。7.混合装配混合装配是将自顶向下装配和自底向上装配结合在一起的装配方法。8.配对条件配对是由装配部件中两组件间特定的约束关系来完成的。装配时可以通过配对条件确定某组件的位置。9.主模型主模型（MasterMod61）是供NX模块共同引用的部件模型。同一主模型可同时被工程图、装配、加工、机构分析和有限元分析等模块引用。当主模型修改时，相关应用自动更新。【学习提示】学习活动3实施与改进二、装配建模创建组件的方式有两种：一种是先设计好装配部件的几何模型，再将该几何模型添加到装配中，几何模型将会自动成为该装配的一个组件；另一种是先创建一个空的新组件，再在该组件中建立几何对象或是将原有的几何对象添加到新建的组件中，则该几何模型便成为一个组件。具体步骤如下：（1）新建一个装配部件几何模型或者打开一个存在的装配部件几何模型。（2）选择要进行装配的部件几何模型。（3）设置将部件加入到装配中的相关信息。1.添加组件单击【装配】工具条中的【添加组件】按钮，或选择菜单【装配】→【组件】→【添加组件】命令，系统弹出如图1-11所示的“添加组件”对话框。【学习提示】学习活动3实施与改进2.设置定位方式在【定位】下拉式列表中有4种执行定位操作的方式，具体如下：（1）绝对原点。选择该选项，将按照绝对原点定位的方式确定组件在装配中的位置，执行定位的组件将与原坐标位置保持一致。（2）选择原点。选择该选项，将通过指定原点定位的方式确定组件在装配体中的位置，这样该组件的坐标系原点与选取的点重合。（3）通过约束。该选项是按配对条件确定部件在装配中的位置。选择该选项后，系统弹出“装配约束”对话框，要求用户设置部件关联的各种信息。（4）移动。该选项用于部件添加到装配中再重新定位。选择该选项后，系统弹出“点”对话框，用于确定部件在装配中的目标位置。指定了一定的位置后，系统弹出“移动组件”对话框，要求用户设置部件重新定位的方式。【学习提示】学习活动3实施与改进三、编辑组件1.删除组件选择菜单【编辑】→【删除】命令，系统弹出“类选择”对话框，在该对话框中键入组件的名称或是通过选择球选择要删除的组件，单击【确定】按钮即可完成该项操作。2.替换组件单击【装配】工具条中的【替换组件】按钮，或选择菜单【装配】→【组件】→【替换组件】命令，系统弹出“替换组件”对话框。选择【要替换的组件】和【替换件】，设置相关选项，如果需要维持配对关系（装配关系），勾选【单击维持关系】复选框，最后单击【确定】按钮即可完成该项操作。【学习提示】学习活动3实施与改进3.移动组件单击【装配】工具条中的【移动组件】按钮，或选择菜单【装配】→【组件】→【移动组件】命令，系统弹出如图1-12所示的“移动组件”对话框。单击【是】按钮，系统弹出“类选择”对话框，在图形窗口中选中一个零件后，单击【确定】按钮，系统会弹出如图1-13所示的“重定位组件”对话框。【学习提示】学习活动3实施与改进四、装配约束装配约束是通过定义两个组件之间的约束条件来确定组件在装配体中的位置，以确定组件在装配中的相对位置。装配约束由一个或多个关联约束组成，关联约束限制组件在装配中的自由度。【学习提示】学习活动4检查与评价学习活动4检查与评价（1）小组自评内容：小组自评准备、计划、决策阶段的学习效果、任务实施效果、工作页填写结果等。（2）小组互评内容：实施过程中，各小组监督员在教师的指导下对其他小组的任务实施过程进行监督，主要检查任务进度是否按工作计划实施，以及任务实施效率和小组成员之间的协同作业能力等。（3）教师总评内容：对实施过程的正确性和效率等进行全面检查，作为考核和评分的依据。（4）能够归纳整理相关文件资料并撰写工作总结。【学习目标】学习活动4检查与评价3D打印技术也称为增材制造技术或三维打印技术，与传统的“通过切削去除材料”的加工技术（如车、铣、刨、磨）完全不同，它不需要任何刀具、模具，仅需将经过智能化处理后的3D数字模型文件（CAD模型）输入3D打印机，便可快速而精确地制造出结构复杂的零件，从而实现“自由制造”。【学习提示】学习活动4检查与评价一、认识3D打印机1.3D打印的概念3D打印是快速成型技术的一种，也称增材制造。它是一种以数字三维CAD模型设计文件为基础，通过高能束源或其他方式对液体、熔融体、粉末、丝、片、板等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，直接构造出物体的技术。加工中心与桌面3D打印机如图1-14所示。【学习提示】学习活动4检查与评价2.3D打印的起源及发展3D打印技术的核心制造思想起源于美国。1892年，J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成地形图。1902年，CarloBaese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。20世纪50年代之后，出现了几百个有关3D打印的专利。随着3D打印专利技术的不断发展，用于3D打印的设备也被研发出来。1988年美国的3DSystems公司根据Hull的专利生产出了第一台商业3D打印设备——SLA-250（光固化成形机），开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的10年中，3D打印技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和相应的3D打印设备。【学习提示】学习活动4检查与评价3.3D打印的优势与不足（1）制造复杂物品不增加成本。通常来说，物体形状越复杂，制造成本越高，但是对3D打印机而言，制造形状复杂的物品时成本不增加，打印一个华丽的、形状复杂的物品并不会比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。（2）产品多样化不增加成本。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本。只需要采用不同的数字设计蓝图和新的原材料就可通过3D打印机打印出形状各异、材料和颜色多样的产品。（3）无须组装。3D打印能使部件一体化成型。3D打印机通过分层制造可以同时打印多个部件，并以组装好的形式出现，省略组装环节也就是缩短了供应链，节省了在劳动力和运输方面的花费。【学习提示】学习活动4检查与评价（4）零时间交付。3D打印机可以按需打印，即时生产，减少了企业的实物库存，企业可以根据订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品以满足客户需求，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输和库存的成本。（5）设计空间无限。传统制造技术制造的产品形状有限，造型受制于所使用的工具，3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。（6）零技能制造。批量生产和计算机控制的3D打印机降低了对使用者技能的要求。3D打印机可以从设计文件里获得各种指示并完成产品制造，制作同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比任何传统机器都少。（7）不占空间，便携。3D打印机可以制造和其打印机平台一样大的物品，3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动。通过移动或机器手式操作，3D打印机可以制造比自身还要大的物品。【学习提示】学习活动4检查与评价（8）减少废弃副产品。3D打印机制造金属零件时产生的副产品较少。随着打印材料的升级，“净成形”制造有望成为更环保的加工方式。（9）材料无限组合。随着多材料3D打印技术的发展，可以将不同原材料融合在一起，以前无法混合的原材料混合后将形成新的材料，这些材料的性能先进、色调繁多，打印出的产品将具有独特的属性或功能。（10）精确的实体复制。未来，3D打印会将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，人们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。【学习提示】学习活动4检查与评价二、熔融沉积成型法熔融沉积成型法（FusedDepositionModeling，FDM）是ScottCrump（Stratasys创始人）于20世纪80年代发明的一种应用广泛的3D打印技术，同时也是最早开源的3D打印技术之一。1.工作原理详解（1）塑料丝通过材料管输送至打印头内，再通过打印头内的热电阻加热器将塑料丝加热至半流体状态（180℃～240℃）。（2）打印头会在软件控制下沿CAD确定的二维几何轨迹运动，同时，打印头上的打印喷嘴将半流体状态的塑料挤出在打印平板上并很快凝固，这个过程就像拿着画笔在一张白纸上画图一样。【学习提示】学习活动4检查与评价（3）一个切片截面打印完成后，打印平台沿Z轴向下移动一个层厚的高度，通常为0.1～0.5mm（视机器及参数设定情况确定）。（4）前一个已经打印完的截面就变成了新的打印平面，如此反复，直至整个模型打印完成。如图1-15所示为熔融沉积成型法工作原理图，如图1-16所示为电脑计算切片并生成打印头运动轨迹。【学习提示】学习活动4检查与评价2.使用材料FDM3D打印技术使用的主要材料为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），如图1-17所示。【学习提示】学习活动4检查与评价（1）ABS工程塑料。ABS工程塑料具有优良的综合性能，其强度、柔韧性和机械加工性能优异，并具有更高的耐温性，是工程机械零部件的优选塑料。ABS工程塑料的缺点是在打印过程中会产生气味，此外，ABS具有冷收缩性，打印过程中模型易与打印平板脱离。（2）PLA工程塑料。PLA工程塑料是当前桌面式3D打印机使用最广泛的材料之一，PLA工程塑料是生物可降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）提炼出的淀粉原料制成。【学习提示】学习活动4检查与评价（3.优势和不足FDM技术可以说是优缺点对比最强烈的一种3D打印技术。（1）优点。1）工作原理简单，操作与维护容易。2）3D打印技术开源，用户普及率高。3）对使用环境几乎没有任何限制，可以在办公室或家中使用。4）打印出来的模型的强度、韧性都很高，可以用于条件苛刻的功能性测试。（2）缺点。1）打印速度比较慢，特别是在打印大尺寸模型或批量打印时速度更慢。2）尺寸精度较差，表面相对粗糙，有清晰的条纹，不适合尺寸精度要求较高的装配件打印。3）在打印结构形态复杂的模型时，支撑结构很难去除。【学习提示】学习活动4检查与评价三、桌面式3D打印机3D打印技术起源于20世纪80年代，但无论是技术应用还是产品的设计初衷都集中在工业制造领域，这些3D打印机动辄数百公斤的质量，几十万到数百万的价格，让普通消费者以及小型公司和设计工作室望尘莫及。随着产品设计研发周期不断提速，3D打印技术不断成熟与多元化，以及越来越多的具有DIY精神的极客、创客的出现，人们对于一款可放置在办公桌上、结构紧凑小巧、造价相对低廉、操作维护简便的桌面式3D打印机的需求越来越强烈。目前，桌面式3D打印机采用的主要成型工艺是FDM技术，此外，基于树脂光固化的SLA技术以及LOM技术是近几年的新兴技术。近年来，3D打印机在个人消费市场的需求急速膨胀。由于个人制造没有传统工业技术标准的约束，未来仍将保持相对较快的发展速度，存在巨大的市场潜在需求。本项目所使用的Win3DP-FDM打印机是由北京三维天下科技股份有限公司推出的快捷桌面型3D打印机，成型工艺是FDM技术。

【学习提示】三维数字化设计与制造21世纪技能创新型人才培养系列教材·机械设计制造系列PART01项目1手机支架的设计与3D打印PART02项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3D打印PART03项目3胶枪三维扫描与逆向造型目录CONTENTSPART04项目4擀面人偶建模、装配与运动仿真PART02项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3打印学习活动1调研与准备学习活动2计划与决策学习活动3实施与改进学习活动4检查与评价学习活动5素养提升——产业之魂项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3打印◆认知目标（1）能够描述餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的功能，明确工作任务的要求及分工，服从小组工作安排。（2）能够描述餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的基本结构和工作原理。（3）掌握NX曲面功能。◆能力目标（1）能够在教师指导下读懂任务书。（2）会使用网络查找相关资料文献，并提炼要点。（3）会使用NX曲线功能进行三维建模。（4）会使用NX装配模块快速组合零件。（5）会使用3D打印机打印零部件并进行组装。（6）3D打印机出现故障时，会进行故障分析并维修。◆素养目标（1）在学习过程中，时刻保持认真、严谨、勤奋。（2）能够在无教师指导的情况下合理分工，协作完成任务。【项目目标】项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3打印随着我国餐饮业的快速发展，餐厨垃圾产量也逐年增加。起初，国内大多城市将餐厨垃圾与生活垃圾混合处理，以传统的填埋、焚烧方式为主。但由于餐厨垃圾含水率高、容易腐败变质、含盐量高、含油量高等，因此不利于填埋和焚烧处理，且这种处理方式不利于餐厨垃圾中蕴含的营养成分和有机质能量再利用。近年来，人们的环保和卫生意识不断增强，国家有关部门对餐厨垃圾及废弃食用油的收运、处理方式逐步完善，相继出台了多项政策措施。在这样的大背景下，某市餐饮集团需要定制一批餐厨垃圾干湿分离垃圾桶放置于餐厅后厨，具体要求如下：【工作情景描述】项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3打印一、功能性要求（1）落地式。（2）可处理蔬菜、带骨肉类、面食、油汤等餐厨垃圾。（3）干湿分离，油水分离，去水率95%以上，提油纯度95%以上。（4）操作简单。（5）减少餐厨垃圾处理费用70%～80%。油水分离后，因油导致的管道堵塞率降低90%。分离出的油回收后能有效再利用，制成生物燃油等。二、结构性要求（1）机械式。（2）所有结构必须质量可靠，符合相关行业标准规定。（3）设备采用220V交流供电。（4）设备长宽高限制在1000毫米×1000毫米×1100毫米以内。三、效率性要求（1）每小时不间断处理300公斤。（2）能够24小时工作。【工作情景描述】项目2餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的设计与3打印四、维护性要求（1）故障率低。（2）容易维护。五、项目造价要求（1）单机成本控制在1万元以内。（2）市场售价在5.8万～9.8万/台。本项目主要内容是基于NX三维建模软件，设计该产品的产品结构、零部件三维模型及装配模型。【工作情景描述】学习活动1调研与准备学习活动1调研与准备（1）能够描述餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的功能。（2）明确工作任务的要求。（3）能够描述餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的基本结构和工作原理。（4）会使用网络查找相关资料文献，并提炼要点。【学习目标】学习活动1调研与准备Win3DP-FDM打印机是由北京三维天下科技股份有限公司推出的快捷桌面型3D打印机，可快速打印出样品模型，及时呈现创意火花。Win3DP-FDM打印机主要基于FDM（Fused

Deposition

Modeling）工艺，打印材料（PLA）经导管送至智能控制喷头后加热熔融并最终堆积成型。

一、认识打印机1.安装打印机第1步，取出Win3DP-FDM打印机。第2步，将料轴安装在3D打印机的后背板上，如图2-1所示。【学习提示】学习活动1调研与准备第3步：如图3-2所示，插上电源，打开开关。【学习提示】学习活动1调研与准备第4步：先点击【移轴】按钮，然后点击【归位】按钮，如图2-3所示。【学习提示】学习活动1调研与准备第5步：取出平台下方的保护泡沫，如图2-4所示。【学习提示】学习活动1调研与准备第6步：在机器左侧找到SD卡槽，插入SD卡，如图2-6所示。插卡时要注意卡的方向，避免插错。至此，打印机安装完毕。【学习提示】学习活动1调研与准备2.按钮及部件简介（1）打印机侧面：电源口、USB口、SD卡槽、开关键，如图2-6所示。【学习提示】学习活动1调研与准备（2）打印平台：由平台、玻璃板、支架及平台调整螺丝组成，如图2-7所示。【学习提示】学习活动1调研与准备（3）限位开关：X轴限位开关和Y轴限位开关在外部，如图2-8和图2-9所示，Z轴限位开关在内部。【学习提示】学习活动1调研与准备（3）限位开关：X轴限位开关和Y轴限位开关在外部，如图2-8和图2-9所示，Z轴限位开关在内部。【学习提示】图2-9Y轴限位开关学习活动1调研与准备（4）打印头：由送料器、喷头、散热风扇和冷却风扇组成，如图2-10所示。【学习提示】学习活动1调研与准备注意，喷头在工作过程中温度很高，可达到200℃，不要用手触碰，以免烫伤。3.主要界面介绍主界面1：上方3个坐标图是温度监测曲线图，实时反映相应部件的温度，黄线为实时温度，红线为设定温度，如图2-11所示。【学习提示】学习活动1调研与准备主界面2：3个表分别用于对“打印速度”“风扇转速”“材料流量”进行检测与控制，如图2-12所示。【学习提示】学习活动1调研与准备主界面3：手动控制打印头和平台的位移，如图2-13所示。【学习提示】学习活动1调研与准备主界面4：控制材料的进退料，如图2-14所示。【学习提示】学习活动1调研与准备主界面5：SD卡界面。如2-15所示，中间一栏为SD卡中已经做好了切片的模型文件，点击其中一个文件，会在左边出现3个符号：第1个表示开始打印，第2个表示暂停打印，第3个表示停止打印。【学习提示】学习活动1调研与准备二、打印机的操作流程1.进料把材料通过送料电机送入打印头，使喷头能正常挤料打印，这个过程称为进料。具体操作如下：第1步，向下按住进料口的蓝色塑料圈，将白色固定管拔出。第2步，将料盘固定在支架上，将材料的一端穿过白色的固定管，从另一端露出，再用剪刀把材料的这端修剪一个坡口。

第3步：点击触摸屏上的【移轴】按钮，选择【一键进料】，此时机器会自动加热喷嘴。该过程中触屏会被锁定，不响应任何操作。第4步：“嘀”声响表示达到材料融化温度，此时将材料用力加入进料口，感到材料被齿轮咬住，好像有一个向下的力拉拽材料即可。此时材料向下运动，喷头开始挤料，机器发出蜂鸣声，表示进料操作完毕，触屏自动解锁，最后将白色固定管插回原位。【学习提示】学习活动1调研与准备2.打印第1步，插入SD卡。第2步，在平台玻璃板上均匀涂抹固体胶，不要涂得太厚，涂抹范围为所打印零件的大小。第3步，在触摸屏上点击【SD卡】按钮，选择要打印的文件（“.gcode”格式），点击【开始打印】按钮。在打印之前，打印头和平台都要经过升温过程，可通过触摸屏的主界面查看喷嘴升温曲线和平台升温曲线。此时触摸屏被锁定。第4步，打印头开始打印。先在平台上画出模型的外轮廓，观察外轮廓是否贴合牢固、材料是否均匀，如果不是，需要调整平台再进行打印；如果是，即可开始打印。3.取件第1步，打印完成后，机器会发出提示音，喷头回到原点，将平台移至合适位置。第2步，用铲子将工件从平台上取下，去除支撑。第3步，整理平台，归位。【学习提示】学习活动1调研与准备4.退料第1步，向下按住进料口蓝色的塑料片，将白色固定管拔出。第2步，点击触摸屏的【移轴】按钮，选择【PLA材料】栏下的【一键退料】，此时机器会自动升温，当达到熔化温度后会自动退料。该过程中触摸屏会被锁定，不响应任何操作。当机器发出提示音，表明退料操作完毕，触摸屏解锁，向上拔出材料，取走料盘，退料完成。

【学习提示】学习活动2计划与实施学习活动2计划与实施（1）明确工作任务的要求及分工，服从小组工作安排。（2）能够根据甲方对餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的要求确定结构组成。（3）能够合理选择餐厨垃圾干湿分离垃圾桶的连接方式。（4）分析各小组成员设计的结构形式，总结出本组最优方案。

【学习目标】学习活动2计划与实施一、打印机常见问题处理在使用3D打印机打印的过程中，有时会出现模型建立正确，在平板上涂胶或者贴纸的方式正确，但打印时模型发生移位的问题。如何处理呢？打印时，打印头在Z轴的坐标是不会发生变化的，且平台的上、下坐标有极限值，如果极限值与喷头的距离不合适的话，便无法正常打印，此时需要微调平台的高度。只有两者的距离合适了，打印时模型才不会移位。1.喷头与平台的正确距离在平台与喷头之间放置一张A4纸，依次将喷头移动到平台4个支点的上方，平行往外拖拽纸张，如果感觉有阻力，但是喷头又不会撕裂纸张，那么这个距离就是正确的。注意，必须如图2-16所示的4个支点的距离都正确，才能保证喷头与平台的距离正确。【学习提示】学习活动2计划与实施2.距离误差对打印的影响若喷头与平台距离过小，喷头挤不出料，打印会有断裂；若喷头与平台距离过大，喷头挤出的料不能在平台上粘牢，会跟随喷头移动。3.调平台的具体步骤第1步，点击【移轴】按钮，点击Z轴的向下箭头，如图2-17所示，将平台稍微向下移动。在平台上铺一张A4纸，如图2-18所示，然后按【home】键将三轴归位。【学习提示】学习活动2计