水管過濾器扳手3D創意設計

王增福

教學背景

3D打印技術不僅在航天航空、醫療、服飾等領域有用武之地，而且在生活實際應用中發揮了更大的作用，幫助我們解決了很多問題。本節課設計制作的水管過濾器扳手是水管過濾器的一個配件，在水管過濾器裝卸過程中起著非常重要的輔助作用。它是一個金屬的配件，能套在水管過濾器外殼上輔助安裝和卸載，外形上看比較單薄，在使用過程中不經意就會丟失。為了解決易丟失這一問題，本節課就利用3D One設計一款水管過濾器扳手，并且對其打印。

教學重點與難點

教學重點 掌握繪制水管過濾器扳手草圖的方法和技巧;學會導出stl格式文件和切片的操作方法。

教學難點 繪制水管過濾器扳手草圖時，草圖尺寸大小參數的設定。

教學過程

一、情境導入

師：我家安裝了一個水管過濾器，近期感覺水管流速減慢。我覺得可能是水管過濾器中的過濾網堵住了，想把水管過濾器卸載下來，清洗一下過濾網。可是水管過濾器原配的扳手找不到了，大家能幫我出個主意嗎？

學生思考并回答。

師：說得對，我們可以使用3D One設計一個水管過濾器扳手。

二、探索新知

活動一：分析水管過濾器扳手結構

師：注意觀察水管過濾器扳手，如圖1。它有什么特點？最關鍵的部位是哪一部分？

學生觀看、思考并回答。

教師總結：扳手主要由凹槽齒圈（近似于齒輪形狀）、手柄和掛圈等3部分組成。其中，帶有凹槽的齒圈是整個水管過濾器扳手的關鍵部分，在使用過程中齒圈的凹槽和水管過濾器突起的齒嚙合，使其相互產生作用力，如圖2。

活動二：計算水管過濾器扳手尺寸

師：我們設計的模型要想應用于生活，就需要測量實物的尺寸大小，然后再根據測量的尺寸計算得到所要設計模型的尺寸。那么，請大家想一想，我們怎樣得到水管過濾器扳手凹槽齒圈內壁部分的尺寸大小呢？

學生思考、討論并回答。

師：由于水管過濾器本身呈圓柱狀，這樣我們使用軟尺測量出的水管過濾器周長即為水管過濾器扳手齒圈內壁的周長，然后再根據圓形周長的公式計算出齒圈內壁半徑的長度。經過測量，水管過濾器的周長是16cm，那凹槽齒圈內壁的半徑是多少呢？

學生思考、計算，教師巡視指導。

教師總結：根據圓形周長公式C=2πr，我們可以計算出半徑r的參數約為2.6cm。

活動三：設計制作3D模型

（一）畫凹槽齒圈

1.將視圖切換到上視圖，使用“草圖繪制”—“圓形”命令工具，在平面網格上單擊創建一個草圖界面，然后在Y軸上畫一個半徑為27mm的圓，單擊確定。

注意：在Y軸上繪制圓形，就是將圓心落在Y軸上畫圓，便于下一步的操作。在3D One中，計量單位為毫米，所以圓半徑2.6cm可以換算成26mm;考慮到3D打印過程中有可能出現偏差，為了保證打印出來的水管過濾器扳手能夠正常使用，我們在設置設計尺寸參數時，要盡可能比實際測量的數值大1～2mm。

2.使用“草圖編輯”—“偏移曲線”工具，對圓形進行偏移，偏移距離為10mm，如圖3，單擊確定。

3.沿著Y軸畫一條垂直線作為鏡像線，然后使用直線畫出凹槽圖形的一半，其中，直線長度為2.5mm，然后再使用“基本編輯”—“鏡像”工具對其鏡像，刪除鏡像線，單擊確定。

4.使用“基本編輯”—“陣列”工具，對凹槽圖形進行圓形陣列，將數目設為6，間距為60mm，圓心為圓形的圓心，單擊確定后，使用“草圖編輯”—“單擊修剪”工具，修剪多余弧線，如圖4，單擊確定。

（二）畫手柄和掛圈

1.在凹槽齒圈正下方畫一個半徑為20mm的圓，然后使用直線將凹槽齒圈外圓和下邊的圓形連接，如圖5。然后借助于“草圖編輯”—“單擊修剪”工具，修剪掉草圖中多余部分，單擊確定。

注意：借助于草圖界面工具欄中的“顯示曲線連通性”命令工具，檢查一下草圖經過“單擊修剪”后是否有多余的線段，小細節部分需要放大后才可以看清，然后使用“單擊修剪”，去掉多余部分。

2.在手柄下方畫一個半徑為10mm的圓，單擊確定和完成。

（三）拉伸成型

使用“特征造型”—“拉伸”命令工具，對水管過濾器扳手草圖進行拉伸，拉伸的高度為5mm，單擊確定，如圖6。

（四）導出stl格式文件

1.“點擊主菜單—導出—選擇導出文件路徑—輸入導出文件名稱—選擇stl格式—保存”，按這6步導出stl格式文件，在彈出生成stl格式對話框中單擊確定。

活動四：對模型切片

建好模型，將其導出stl格式文件之后，就可以對該文件進行切片了，因為只有對模型切片后才可以通過3D打印機進行打印。那什么是切片呢？我們又該如何對模型進行切片呢？接下來我們就來學習切片。

1.切片的概念

切片實際上就是把3D模型切成一層一層，并將切片后的文件儲存成與3D打印機相匹配的切片文件格式，這種格式是3D打印機能直接讀取并使用的文件格式。

2.切片過程

在切片前期，我們都會先打開切片軟件，設置好各項軟件參數，然后導入stl格式文件，再對其進行切片。

注意：在3D打印中，模型的尺寸大小一般情況下都是在建模過程中設定好的，在切片過程中最好不要更改模型的大小，否則會影響打印模型在實際應用中的效果。因此，在這里不需要調整水管過濾器扳手尺寸大小。

最后導出切片格式的文件到電腦，這樣就可以通過3D打印機將其打印出來應用于生活了。

注意：導出時關注顯示用料、打印時間，以及所設置的精度、底墊和支撐等信息。另外，不同的3D打印機匹配的切片文件格式可能不同，請選擇與3D打印機相匹配的切片軟件。

學生根據教師講解的切片過程，將自己設計的水管過濾器扳手模型進行切片。

三、創作體驗

結合本節課所學的內容，請學生自己設計一款能夠解決生活用品或者學習用品問題的3D打印作品，注意模型尺寸大小及作品在生活中的實用性。

教學反思

本課例從身邊的生活中發現問題——水管過濾器的安裝與卸載，然后將遇到的問題拿到課堂教學中，通過3D打印輕松解決安裝與卸載水管過濾器的問題，跨學科運用了數學的圓形周長公式和物理的省力杠桿原理（設置過濾器扳手的長度時）。本節課結合案例特點，主要采用了“自主探究”和“教師引導”兩種教學方式，既培養學生利用3D打印技術解決生活中遇到的問題的能力，又引導學生遇到問題要勤于思考，勇于動手操作實踐。