第一章 认识3D打印与SketchUp软件

想象一下：你心目中的3D打印是什么样子的？

一、什么是3D打印

3D打印（英文名3D printing）又称为增材制造，是一种新的快速成型方式。它是以数字模型文件为基础，运用金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等可黏结或可凝固化材料，通过一层一层打印的方式直接制造三维立体实体产品的技术。顾名思义，就是通过一点点增加材料，堆叠成一个想要的物件的样子。

知识拓展：

快速成型方式除了增材制造（3D打印），还有减材制造和等材制造。

减材制造：就是在原有物体的基础上进行切割、雕刻等操作，减少材料本身形成的新物体，通常用在工厂加工机器零部件上。例如，有一块长方形的面包吐司，如果把边缘的吃掉变成了一个圆形或者小花的形状就是减材制造。

等材制造：就是运用相同量的材料制作出不同的物体；像小朋友玩橡皮泥，可以随意变化它的形状，捏成可爱的小鸭子、小猪或者人们住的房子。

二、3D打印有哪些分类

3D打印根据打印物体的使用方法、材料不同，划分为若干种，生活中常见的有4种。就像葫芦娃里面，每个葫芦娃的本领各不相同。

第1种：熔丝堆叠法，又称熔融沉积成型法（简称FDM）。

美国学者Scott Crump先生在1988年提出该方法。它是将丝状的材料加热融化，根据要打印物体的截面轮廓信息，将材料选择性地涂在工作台上，快速冷却后形成一层截面，一直重复以上过程，直至形成整个实体造型。

这种打印方式主要使用的材料是一种PLA，以玉米、木薯等为原料提取的，绿色环保，无气味，无污染。这是现在最常用的成型法，也是我们课程应用的一种方式。

第2种：树脂固化法，又称为立体光固化成型法（简称SLA）。

在盛满液态光敏树脂的容器中，液态光敏树脂在紫外激光束的照射下快速固化成想要的形状。

第3种：激光烧结法，称为选择性激光烧结法（简称SLS）。

将材料粉末铺洒在已成型的零件表面，并刮平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择性的烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，就可以得到一层烧结好的零件，并与下面已成型的部分黏接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末并重复以上打印步骤，直到完成打印。

第4种：三维印刷（简称3DP）

和上一种SLS很相似，只是通过这种方式可以打印出彩色的物品。

三、3D打印发展现状

目前，3D打印在各行业领域的应用情况如下图所示。

如今3D打印在国外市场已初具规模。3D打印技术目前约有50%都应用在消费品、电子、汽车等领域，应用方式主要为设计原型及生产过程中的模具加工。在医疗生物领域，3D打印同样大有可为。根据美国组织Amputee Coalition的统计，目前美国正有约200万人使用3D打印假肢。此外，目前3D打印机还能打印出真正的房子、衣服、鞋子、食物等。而国内3D打印技术研发水平较国外而言仍有较大差距。目前，我国3D打印正处于导入期，技术也处于一个优化升级的过程，应用面会随着整体技术的推进而不断扩展。

下图为3D打印技术在部分领域的具体应用。

“只有想不到，没有做不到。”通过发挥自己的创造性，人们能用3D打印技术制造出各式各样的物品。

四、3D打印技术的原理

3D打印，也就是常说的增量制造，“打印”一个物品的过程就像用砖砌墙。其工作原理很像“打印”，但它用到的不是墨水，而是更多具有实体的材料，比如：塑料、金属、橡胶等类似的材料。除了用料之外，3D打印技术与传统打印技术的另一个重要区别就是：3D打印首先需要进行数字化三维模型构建，传统打印技术并不需要构建数字化三维模型。

3D打印机的精确度可以相当高，能打印出模型中的大量细节，而且它比起铸造、冲压、蚀刻等传统方法能更快速地创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。一般来说，3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。具体流程如右图所示。

3D打印模型的获取

模型的获取可以通过3种方式：三维建模，三维扫描和网络下载已完成设计的模型。在建模软件方面，既有专业化商业建模软件，如SolidWorks、Creo 2.0等，也有丰富的免费建模软件，如SketchUp、Blender、TinkerCAD等。此外，可以通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。

分层切片，逐层打印

将所获取模型的数据文件存入存储卡中，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来从而制造出一个实体。

在切片的过程中，我们需要设置参数。准确的参数设置可以帮助我们打印出更美观的模型，以切片软件Pango为例，我们来学习一下参数设置相关的小知识。

第一步：载入模型库模型。

第二步：关键参数设置及认知。

（1）层高：层高影响模型纵向的细腻程度，层厚越小，表面越平滑，但打印时间也越长。

（2）打印速度：打印速度影响模型成型时间，随着速度的增加，模型表面质量会随之降低，应在成型时间与打印质量之间取平衡。

（3）打印线宽：打印线宽（喷嘴尺寸）由打印机喷嘴尺寸所决定，影响模型表面细腻程度，线宽越小，表面越平滑，但打印时间也越长。

（4）材料直径：材料的实际直径与切片时的设置参数越接近，模型的成型量越准确。若实际直径偏大，会造成挤出过多；实际直径偏小，会造成挤出偏少。

（5）表皮圈数：表皮圈数以及上下表面层数，影响模型的外表面坚硬程度。

（6）填充率：填充率影响模型内部强度，填充率越高，模型打印时间约长。

（7）喷头温度：喷头温度（打印温度）影响材料熔融程度，温度越高，材料融化越充分，但容易导致冷却过缓，造成模型塌陷；温度过低，材料融化不充分，又会导致挤出不畅，造成模型断层或无法成型。（通常，PLA材料打印温度为195〜205℃。）

第三步：切片参数设置完成，保存Pcode文件。

五、3D打印在教育行业的应用

由于3D打印在制造工艺方面的创新，它被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。尤其在飞机、核电和火电等使用重型机械、高端精密机械的行业，3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。并且，由于其速度快、高易用性等优势，3D打印如今在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、地理信息系统、土木工程等众多领域都有所应用。

在教育领域，3D打印也开始崭露头角。新媒体联盟（New Media Consortium, NMC）在2013年地平线报告（基础教育版）中首次将3D打印技术列为教育领域未来4〜5年内待普及的创新型技术。Stratasys的首席执行官David Reis说：也许使用3D打印机最多的领域是教育，因为教育是所有行业的开端。我们需要训练学生如何掌握这个行业和领域的技能，如何使用这些工具。那么，3D打印在教育领域到底有着怎样的发展潜力呢？

1. 3D打印技术在国外教育领域的应用实践

近几年来，3D打印技术在美国教育教学领域的应用正引起越来越多的重视。

弗吉尼亚大学科技和教育中心主任格兰·布尔正在将3D打印机带入课堂，教幼儿园的孩子们如何设计和打印弹弓。“我们认为，美国的每个学校都将在未来几年里在课堂上配备3D打印机。”格兰·布尔说。美国国防高级研究计划局制作实验和拓展项目计划在美国高中推广3D打印机。该项目旨在培养高中生的工程技术及相关技能。美国华盛顿格拉希尔山高中的学生使用具有计算机辅助设计功能的3D打印机来快速进行原型设计，他们还因此获得大学的学分。在FullSail大学，学生们使用该技术制作3D漫画人物，他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型。美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的（见下图）。

2. 3D打印技术在教育领域应用的启示

2.1 在教育教学中的作用

由上表可以看出，3D打印在教育教学中充分发挥了其助推器作用。大致总结为以下三点。

（1）作为教育教学辅助用具，提高教学效率，促进学习效果。

3D打印机基本不受图形限制，可打印出任意复杂结构的教学模型，弥补了现今教学中缺乏立体模具的缺陷。因此，在很多学科的教学中，3D打印技术都起到了功不可没的作用。比如，数学学科中抽象的立体几何图形、化学学科中复杂的分子结构、地理学科中星球的相对位置关系等，都可以通过3D打印技术而得到很好的展示。

（2）营造真实的问题情境，提高学生的学习参与度和实践能力。

对于工程设计、建筑设计等专业的学生来说，他们通常只是在电脑上完成图稿设计，根本无法使其变成实物而应用于现实实验、测试和探究中，导致学习效果大打折扣。3D打印技术的介入使得这一问题情况得到缓解。它能够帮助学生完成模型的制造，并得以模拟真实的问题情境。

（3）激发学生想象力，提高其高阶思维能力。

高阶思维能力是当代对人才素质提出的新要求，国内著名学者钟志贤教授将高阶思维能力定义为一种较高认知水平层次上的能力，并结合知识时代对人才素质结构要求的分析将其分为问题求解、决策、创新、批判性思维、信息素养、团队协作、兼容、获取隐形知识、自我管理和可持续发展等十种能力。

2.2 教学应用模式构建

根据对3D打印技术在教育教学中作用的分析，其教学应用模式可考虑以如下方式构建。简而言之，在“3D打印教育”中，技术本身可以作为教学目标和学习内容，教师和学生都应学会如何设计、如何建模和如何使用3D打印机。在此基础上，一方面，教师才能利用3D打印技术制作出各种教学辅助模具。另一方面，学生才可能有效地利用该技术进行问题情景模拟和创意设计。

2.3 用于制作教学辅助用具

当前，教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢；多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。3D打印技术的引入为教师自行制作教学模具提供了方便。教师在课堂上展示其制作的教学模具，学生也可以观察、触摸和组装这些教具。通过这种方式，一来提高了教师的教学效率，二来促进了学生的学习效果。

2.4 实现问题情境模拟

作为一种通用的技术，3D打印可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育，尤其适用于设计、工程相关领域或是需要快速制作模型的领域。3D打印技术介入课堂教学，能够帮助学生通过模型制作更好地还原真实的问题情境，从而加深其对抽象概念或原理的理解，促进知识结构的构建。例如，在某个案例中，学生将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物。在此情境中，学生对所学内容可获得更为直观的感受，加速学习的进程并提高学习的效率。

2.5 创意设计

3D打印技术引入教育教学中，亦能助力国内教育体制的改革。有了3D打印机的帮助，学生们更能大胆想象、设计出各种创意模型。这一方面有助于学生对其专业知识的学习、掌握，另一方面能使学生在其自主学习中提高创造性思维能力。美国早在几年前就为各级各类院校引进了3D打印机，用于培养学生自主创新、探索能力，发展得如火如荼，学生对该设备也表现出了极大兴趣。在中国，也有类似的例子。例如，上海市静安区青少年活动中心购买了3D打印全套设备，并定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的机械零件等。

3. 3D打印技术教育应用理论依据

3.1 “经验之塔”理论

戴尔在其1946年所著的《教学中的视听方法》一书中提出的“经验之塔”理论融合了杜威的教育理论和当时流行的心理学观点，成为以后视听教学的主要理论的核心。“经验之塔”是构成戴尔《教学中的视听方法》全书的基本构架，是一种关于学习经验分类的理论模型，比视听教学运动初期所有分类方法都更有实用价值。

根据“经验之塔”理论，学生通过学习活动所获得的经验分为三类：做的经验，观察的经验和抽象的经验（如下图所示）。

在“经验之塔”中，从塔底到塔顶，经验逐渐由具体变得抽象，排成一个序列。教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经验。在学校教学中使用各种媒体，可以使教学活动更具体，也能为抽象概括创造条件。位于“塔”的中间部分的那些视听教材和视听经验，比上层的言语和视觉符号具体、形象，又能突破时空的限制，弥补下层直接经验的不足。3D打印技术作为一种多媒体技术的延伸而被引入教学活动中，一方面使得学生能有更多机会自己动手操作、创作，丰富其“做”的直接经验；另一方面，用3D打印模型作为教学辅助用具，使得学生在观察学习的同时，丰富了其观察的经验和抽象的经验，拓展了其感觉和知觉，促进了其思维能力的进一步发展。

3.2 建构主义学习理论

建构主义，其最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰。他是认知发展领域最有影响的一位心理学家，所创立的关于儿童认知发展的学派被人们称为日内瓦学派。皮亚杰关于建构主义的基本观点是，儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展的。根据建构主义理论，学习知识不应该和活动情境分离而独立、抽象存在，而应多与社会实践活动结合起来。尽管建构主义理论的内容很丰富，但其核心只用一句话就可以概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构（而不是像传统教学那样，只是把知识从教师头脑中传送到学生的笔记本上）。

根据建构主义学习理论和维果斯基的最近发展区学习理论，在教学活动中引入3D打印技术，一方面大大增加了学生在学习活动中自己动手操作和独立思考的机会，使其学习变得更加主动；另一方面，融合了3D打印技术的课程设计采取了循序渐进的原则，符合学生的认知水平的发展规律，形成了合理的内在良性循环。

3.3 学习动机理论

学习动机指的是学习活动的推动力，又称“学习的动力”。学习动机理论认为，人的某种学习行为倾向完全取决于某种学习行为与刺激物之间因强化而建立的牢固联系，动机被看作是由外部刺激引起的一种对行为的推动力量，并用强化来解释动机的引起和作用。如果将融合了3D打印技术的教学活动看作刺激物，学生的学习行为则很可能得到强化。因为将3D打印应用于教学中，往往使得教学方式更加有趣、更加灵活。

当然，学生的学习动机不仅受上述各种因素的强化，也可能受其内部需求激发。如今，3D打印的教学方式是一种新的教学方式，其带来的新鲜元素固然会激发起学生的学习兴趣。另一方面，这种教学方式所带来的益处，可能使得学生产生学习的强烈需求，即心理需求。心理需求又称成长性需求，成长性需求的强度因获得满足而增强。也就是说在成长需求之下，个体所追求的目标是无限的，成长性需求永远也得不到满足。实际上，求知和理解世界的需要满足得越多，人们学习的动机就越强。而3D打印技术在教学活动中的引入，使得学生学习需求得到满足的可能性大大提高了。

六、认识SketchUp软件

SketchUp（又名谷歌草图大师）是一个极受欢迎并且易于使用的3D设计软件，官方网站将它比喻为电子设计中的“铅笔”。它的主要特点就是使用简便，人人都可以快速上手。

SketchUp软件简单、易学，以图形的方式进行建模，具有独特简洁的界面，中小学生可以在短时间内掌握使用。该软件可以利用简单的图标进行作图，具有方便的推拉功能，中小学生通过对一个平面图形的推拉就可以方便地生成3D几何体，无需进行复杂的三维建模。SketchUp可以快速生成任何位置的剖面，使用户可以更清楚地了解模型的内部结构，可以随意生成二维剖面图，并且可简便地进行空间尺寸和文字的标注，让使用者树立度量意识。

在SketchUp界面中，中小学生不需要学习种类繁多、功能复杂的指令集，因为SketchUp有一套精简而强健的工具集和一套智慧导引系统，大大简化了3D绘图的过程，让使用者专注于设计本身。因此，SketchUp是一套设计的环境，不需要在教育训练与支援上做巨大的投资，就能够动态地、创造性地探索3D模型或材料、灯光的界面。

1．功能特色

（1）独特简洁的界面，可以短期内掌握使用。

（2）适用范围广阔，可以应用在建筑，规划，园林，景观，室内及工业设计等领域。

（3）方便的推拉功能，通过一个图形就可以迅速生成3D几何体，无需进行复杂的三维建模。

（4）快速生成任何位置的剖面，使设计者清楚地了解建筑的内部结构，可以随意生成二维剖面图，并可快速导入AutoCAD进行处理。

（5）与AutoCAD、Revit、3D MAX等软件结合使用，快速导入和导出JPG、3DS等格式文件，实现方案构思、效果图与施工图绘制的完美结合，同时提供与Auto-CAD等设计工具接驳的插件。

（6）自带大量门、窗、柱、家具等组件库和建筑肌理边线需要的材质库。

（7）轻松制作方案演示视频动画，全方位表达设计者的创作思路。

（8）具有草稿、线稿、透视、渲染等不同显示模式。

（9）准确定位阴影和日照，设计师可以根据建筑物所在地区和时间实时进行阴影和日照分析。

（10）简便地进行空间尺寸和文字的标注，并且标注部分始终面向设计者。

2．丰富的SketchUp组件资源

SketchUp软件同3D MAX等三维制作软件一样，有丰富的模型资源，在设计中可以直接进行调用、插入、复制等编辑任务。

同时，SketchUp软件还建立有庞大的3D模型库，集合了来自全球各个国家的模型资源，形成了一个很庞大的分享平台。现在，设计师们已经将SketchUp及其组件资源广泛应用于室内、室外、建筑等多领域中。