王增福   山东省聊城市莘县明天中学小学部信息技术教师。2017 年2 月投身于3D建模学习和研究，已在i3DOne青少年三维创意社区发布视频教程192 个，学习人次达到140 万。曾获i3DOne 青少年三维创意社区“优秀创客导师”称号；被聘为i3DOne 全国三维设计挑战赛第15 期“向劳动者致敬”评委；编写的《趣学3DOne》一书于2018 年10 月由人民邮电出版社出版。

教学背景
 

3D打印技术不仅在航天航空、医疗、服饰等领域有用武之地，而且在生活实际应用中发挥了更大的作用，帮助我们解决了很多问题。本节课设计制作的水管过滤器扳手是水管过滤器的一个配件，在水管过滤器装卸过程中起着非常重要的辅助作用。它是一个金属的配件，能套在水管过滤器外壳上辅助安装和卸载，外形上看比较单薄，在使用过程中不经意就会丢失。为了解决易丢失这一问题，本节课就利用3D One设计一款水管过滤器扳手，并且对其打印。
 

教学重点与难点
 

教学重点 掌握绘制水管过滤器扳手草图的方法和技巧；学会导出stl格式文件和切片的操作方法。

教学难点 绘制水管过滤器扳手草图时，草图尺寸大小参数的设定。
 

教学过程
 

一、情境导入

师：我家安装了一个水管过滤器，近期感觉水管流速减慢。我觉得可能是水管过滤器中的过滤网堵住了，想把水管过滤器卸载下来，清洗一下过滤网。可是水管过滤器原配的扳手找不到了，大家能帮我出个主意吗？
 

学生思考并回答。
 

师：说得对，我们可以使用3D One设计一个水管过滤器扳手。
 

二、探索新知

活动一：分析水管过滤器扳手结构

师：注意观察水管过滤器扳手，如图1。它有什么特点？最关键的部位是哪一部分？

学生观看、思考并回答。
 

教师总结：扳手主要由凹槽齿圈（近似于齿轮形状）、手柄和挂圈等3部分组成。其中，带有凹槽的齿圈是整个水管过滤器扳手的关键部分，在使用过程中齿圈的凹槽和水管过滤器突起的齿啮合，使其相互产生作用力，如图2。

活动二：计算水管过滤器扳手尺寸
 

师：我们设计的模型要想应用于生活，就需要测量实物的尺寸大小，然后再根据测量的尺寸计算得到所要设计模型的尺寸。那么，请大家想一想，我们怎样得到水管过滤器扳手凹槽齿圈内壁部分的尺寸大小呢？
 

学生思考、讨论并回答。
 

师：由于水管过滤器本身呈圆柱状，这样我们使用软尺测量出的水管过滤器周长即为水管过滤器扳手齿圈内壁的周长，然后再根据圆形周长的公式计算出齿圈内壁半径的长度。经过测量，水管过滤器的周长是16cm，那凹槽齿圈内壁的半径是多少呢？
 

学生思考、计算，教师巡视指导。
 

教师总结：根据圆形周长公式C=2πr，我们可以计算出半径r的参数约为2.6cm。
 

活动三：设计制作3D模型
 

（一）画凹槽齿圈
 

1.将视图切换到上视图，使用“草图绘制”—“圆形”命令工具，在平面网格上单击创建一个草图界面，然后在Y轴上画一个半径为27mm的圆，单击确定。
 

注意：在Y轴上绘制圆形，就是将圆心落在Y轴上画圆，便于下一步的操作。在3D One中，计量单位为毫米，所以圆半径2.6cm可以换算成26mm；考虑到3D打印过程中有可能出现偏差，为了保证打印出来的水管过滤器扳手能够正常使用，我们在设置设计尺寸参数时，要尽可能比实际测量的数值大1～2mm。
 

2.使用“草图编辑”—“偏移曲线”工具，对圆形进行偏移，偏移距离为10mm，如图3，单击确定。

3.沿着Y轴画一条垂直线作为镜像线，然后使用直线画出凹槽图形的一半，其中，直线长度为2.5mm，然后再使用“基本编辑”—“镜像”工具对其镜像，删除镜像线，单击确定。
 

4.使用“基本编辑”—“阵列”工具，对凹槽图形进行圆形阵列，将数目设为6，间距为60mm，圆心为圆形的圆心，单击确定后，使用“草图编辑”—“单击修剪”工具，修剪多余弧线，如图4，单击确定。

（二）画手柄和挂圈
 

1.在凹槽齿圈正下方画一个半径为20mm的圆，然后使用直线将凹槽齿圈外圆和下边的圆形连接，如图5。然后借助于“草图编辑”—“单击修剪”工具，修剪掉草图中多余部分，单击确定。

注意：借助于草图界面工具栏中的“显示曲线连通性”命令工具，检查一下草图经过“单击修剪”后是否有多余的线段，小细节部分需要放大后才可以看清，然后使用“单击修剪”，去掉多余部分。
 

2.在手柄下方画一个半径为10mm的圆，单击确定和完成。

（三）拉伸成型

使用“特征造型”—“拉伸”命令工具，对水管过滤器扳手草图进行拉伸，拉伸的高度为5mm，单击确定，如图6。

（四）导出stl格式文件
 

1.“点击主菜单—导出—选择导出文件路径—输入导出文件名称—选择stl格式—保存”，按这6步导出stl格式文件，在弹出生成stl格式对话框中单击确定。
 

活动四：对模型切片
 

建好模型，将其导出stl格式文件之后，就可以对该文件进行切片了，因为只有对模型切片后才可以通过3D打印机进行打印。那什么是切片呢？我们又该如何对模型进行切片呢？接下来我们就来学习切片。
 

1.切片的概念

切片实际上就是把3D模型切成一层一层,并将切片后的文件储存成与3D打印机相匹配的切片文件格式，这种格式是3D打印机能直接读取并使用的文件格式。
 

2.切片过程
 

在切片前期，我们都会先打开切片软件，设置好各项软件参数，然后导入stl格式文件，再对其进行切片。
 

注意：在3D打印中，模型的尺寸大小一般情况下都是在建模过程中设定好的，在切片过程中最好不要更改模型的大小，否则会影响打印模型在实际应用中的效果。因此，在这里不需要调整水管过滤器扳手尺寸大小。
 

最后导出切片格式的文件到电脑，这样就可以通过3D打印机将其打印出来应用于生活了。
 

注意：导出时关注显示用料、打印时间，以及所设置的精度、底垫和支撑等信息。另外，不同的3D打印机匹配的切片文件格式可能不同，请选择与3D打印机相匹配的切片软件。
 

学生根据教师讲解的切片过程，将自己设计的水管过滤器扳手模型进行切片。
 

三、创作体验
 

结合本节课所学的内容，请学生自己设计一款能够解决生活用品或者学习用品问题的3D打印作品，注意模型尺寸大小及作品在生活中的实用性。
 

教学反思
 

本课例从身边的生活中发现问题——水管过滤器的安装与卸载，然后将遇到的问题拿到课堂教学中，通过3D打印轻松解决安装与卸载水管过滤器的问题，跨学科运用了数学的圆形周长公式和物理的省力杠杆原理（设置过滤器扳手的长度时）。本节课结合案例特点，主要采用了“自主探究”和“教师引导”两种教学方式，既培养学生利用3D打印技术解决生活中遇到的问题的能力，又引导学生遇到问题要勤于思考，勇于动手操作实践。