高中信息技术选修《3D打印及AUTODESK123D建模设计》校本课程教案.doc
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前言
3D打印目前还是个新鲜事物,还没有正真走进公众的视野。
所以这方面的书不多,即使有,也大多是泛泛的介绍。
3D打印最关健的部分,是3D建模,制约普通人学习和使用3D的瓶颈,正是三维设计软件。
如果自己不能设计一个作品,只是下载别人的作品去打印,没有参与度,意义不大。
本人接触过各种三维设计软件,不是一时半会能学会的。
有没有让初学者快速入门并立即体验的三维设计软件呢?
有,就是Autodesk公司推出的面向初学者的免费软件:
123D系列。
其中123DDesign适合机械设计,123DSculpt+则适合艺术创新,还有一款Sculptris类似泥塑,分别适合不同的制作需求和年龄层次。
本书正是以这三款软件为主线,写作教程。
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本书试图从初学者的需求角度,从认识3D,制作3D,打印作品等方面,引导读者全面掌握和使用3D打印。
就象当年电脑培训一样,教会学生打字,排版,设置和使用打印机,一条龙。
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一般软件教程,大多是这种模式:
先把各个菜单或工具的功能讲得很清楚,然后,通过实例学习使用,步骤很清楚,讲解很祥细,可是,初学者按部就班的学习,往往会因一个小细节卡住!
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这是因为,作者自己对软件很熟悉,就想当然地以为读者按图索骥一定不会出错。
事实上,按照莫非定律,凡是有可能出错的地方,一定出错!
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一旦出错,学习效率就会大幅降低,学习热情就会受到打击,学习兴趣就会大减。
记得本人刚学一个动画软件时,就因为不知如何移动对话框而不知所措,无法学习下去,相当郁闷。
如果作者能预见到这种小细节,作出提示,就能避免这种情况。
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道路以多歧亡羊。
一种软件的学习,不知会遇到多少困扰。
只有作者站在初学者的角度思考,充分考虑初学者的感觉,写出的教程才接地气。
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作者本人3D打印知识都是通过自学掌握的,对初学者的困扰感同身受。
因此作者尝试用试错的模式来写教程:
就是在读者可能出错的地方,故意设置陷阱,让读者在错误中学习,贴合读者的感受,而不是给出一个完全正确的步骤。
遇到问题,分析原因,给出解决办法。
读者跟着操作,就象有一个老师站在身边,随时解答遇到的困扰。
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本书写作特点:
从整体到局部,从粗到精,从易到难,循序渐进。
一个实例重点学习一个操作。
不仅如此,3D作品设计从简单的零件,到实用小制作,并且渗入创造性思维,创新发明,直到创客。
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第一章:
初识3D打印
一、3D打印原理
3d是three-dimensional的缩写,就是三维图形。
一维就是直线,比如时间。
二维就是平面,比如字。
我们平时用的打印机,就是打印二维的,所以,打印头左右移动(一维),Zzz6ZB2Ltk
然后,进纸器前后移动(二维),就打出平面的字来了。
如果我们打完一个字后,再将打印头升起一点,再重复打一次,字就有了厚度,就是三维的了,这就是3D。
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没有,字糊了!
你骗我。
对不起,忘记告诉你,3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
常用的原料有ABS树脂,PLA(再生塑料,聚乳酸,英文名称Polylacticacid),PLA是使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。
PLA具有良好的生物可降解性,最终生成二氧化碳和水,是公认的环境友好材料。
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当然,金属、普通塑料、食物、水泥等等等,都可以做“墨水”。
这些材料是固体的,在打印头中加热变成液体,挤出,在空气中迅速冷却,又变成固体,所以是有厚度的。
现实生活中就有3D打印,比如在生日蛋糕上用巧克力写字,比如易熔枪,玻璃胶枪,唯一不同的,它们是由人脑而不是电脑控制的。
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二、3D打印简史
1984年,CharlesHull在一家公司工作时产生3D打印的想法的。
这家公司用紫外线使桌面涂料快速固化,他想,何不直接用这些材料来制造立体的东西?
于是他将这种用瞬间固化的液体“打印”物体的技术取名stereolithography(光固化),直到创立自己的公司3DSystems后,他才称这种技术为“3D打印”。
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1988年,ScottCrump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM),利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体。
1989年,6ewMyirQFL
C.R.Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS),利用高强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结成形。
1993年,麻省理工大学教授EmanuaISachs创造了三维打印技术(3DP),将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起成形。
1995年,麻省理工大学的毕业生JimBredt和TimAnderson把约束溶剂挤压到粉末床实现3D打印。
1996年,3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出了自己的产品,第一次使用了“3D打印机”的称谓。
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2005年,ZCroooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum2510,同一年,英国巴恩大学的AdrianBowyer发起了开源3D打日机项目RepRap,目标是通过3D打印机本身,能够制造出另一台3D打印机。
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2008年,第—个基于RepRap的30打印机发布,代号为“Darwin”,它能够打印自身50%元件,体积仅—个箱子大小。
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2010年11月,第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车出现。
2011年8月,世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师创建完成。
9月,维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机,这个超小3D打印机重1.5kg。
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2012年3月,维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限,展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。
7月,比利时的internationalUniversCollegeLeuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车,其车速达到了140千米/小时。
12月,美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹。
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三、那么,3D打印到底有什么用呢?
我们都知道,日常生活中用到的物品,千种万种,但是,它们无非两种来源:
手工制作,工业化生产。
手工制作一次只能做一件,效率低,且不可复制,每一件都是独一无二的,比如字画,所以价格贵。
比如你妈给你织的毛衣,里面有温度。
工业化生产,那就多了去了,便宜。
便宜是因为工业化生产有模具,咔嚓一下就做一个,但是,模具的成本相当高,少则几万,多则几百万,只适合大规模生产。
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有同学提问了,那还要3D打印机做什么?
是的,你都会写字,还要打印机做什么?
3D打印的好处是:
你只管设计,它负责实现。
爽了吧。
而且,有些东西,你可能只要一个,不要开模具。
应用领域相当广泛:
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个性化:
我要打个礼品送给女朋友。
工业设计:
快速成形,不用开模。
医疗:
我要打个耳朵。
食品:
我要打个汉堡。
住房:
我买不起房,我要打个房子。
教学:
我要打个教具。
我要打件衣服,我要打个飞机,我要打零件,我要打个雕塑作品,我要打个TIrRGchYzg
玩具,我要打把枪(犯法),我要打个人(不许打人!
)。
3D打印非常适合个性化。
总有一天,你的衣食住行,都是你打出来的。
酷。
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四、3D打印要用什么软件?
我们都知道,要用电脑打字,要学会word,wps等等。
同样,要用3D打印机打印作品,也要会相关的软件创作作品。
这个相关的软件,就是三维绘图软件。
大名鼎鼎的有:
Pro/E、UG、solidworks、3Dmax、AutoCAD,Rhino(犀牛)、Maya,Lightwave。
还有好多,这些软件相当强大,日常生活用品都是它们做出来的,还有你看的动画片也是它们做出来的。
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遗憾的是,这些软件,学起来太难,很不好上手,因为多出一维。
我们有时上街还迷路呢,还是平面的,多一维是完全不同的世界。
当年学立体几何很多女生就头痛,更可恶的是,数学老师只会在黑板上(二维)画立体图。
听说我们的宇宙是十维的,没法想象。
这么说,普通人就没法用3D打印机了?
也不是,办法总比困难多。
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这世界上就有那么多奇怪的人,总能把复杂的东西简单化。
有个牛人,做了个叫SketchUp的三维软件,中文名叫草图大师,可以很方便地创作三维图象。
还不要钱,后来被google发现了,赶紧收购,要钱。
不过,在中国的网上还能找到早期版本,有兴趣的话学学看。
著名的Autodesk公司,为了让普通人能快速掌握3D建模,顺天应时,开发了一款简易3D软件,叫123DDesign,可以说就是简化的AutoCAD,虽说简化,可不简单,基本能满足我们的要求。
而且还有一个系列:
123DCatch(图片转3D,例如做3D人像),123DMake(3D转立体拼图),123DCircuits(电路设计),123DSculpt+……等等,都免费。
特别是123DSculpt+,有平板和手机的应用,就是说,用手机也能捏出3D来。
我们就是要学习这两款软件。
还有个更牛的人,发明了一个小巧的三维软件,叫sculptris,大约泥人张的意思NrpoJac3v1
打开软件,就会有个泥球,然后呢,你就用手(当然是鼠标)去捏,拉拉扯扯,就能做出一个立体的图形,然后,就导出,然后就打印,就这么简单。
这个,我们也要学习。
还有一个手机应用,叫Let'screate也叫pottery(陶艺),是模拟制陶的,有个圆台在转动,上面放了泥胚,用手拖出瓶瓶罐罐。
还可以上色,画图案,也可以打印,但只能由商家来打,你要付钱。
不能自己打,这一点不好。
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五、3D打印离我们有多远,就在身边。
3D打印近几年发展相当快,尤其在中国,鼎鼎有名的“madeinchina”,拿来主义,跨越式发展。
由于技术更新,成本大幅度下降,原来几万几十万的打印机,现在是几万,几千,普及型的,就相当智能手机的价格,是送给孩子的最好礼物。
如果你的动手能力强,可以在淘宝上购买配件,自己组装,既省钱又学知识。
旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家。
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第二章:
123DDesign(第一讲:
初识123,基本操作)
前面我们说过,3D打印要先用三维制图软件建模,就是画三维图,几款有名的三维制图软件相当强大,也就是相当难学的意思。
对于非专业人士来说实在没必要为了体验3D而去啃。
今天给大家介绍一个超级棒的软件:
AUTODESK123D。
软件在这里下载:
[+]查看原图这里有一大堆软件,能满足不同的功能,你要下的是123DDesign,注意分清:
PC(个人电脑)、苹果机,iPad:
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下载时注意你的系统是32位还是64位。
不知道?
win7右击“我的电脑”,属性,找系统类型。
winxp右击“我的电脑”,属性,常规,系统:
有“x64”为64位,没有为32位。
按提示安装:
点击第一个、第三个都行。
安装完成桌面会有快捷方式:
第一讲:
初识123D,基本操作教学目标:
认识界面,菜单,视图工具,学会调整视角,移动物体,放大缩小物体,做个棒棒糖。
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1、认识界面:
[+]查看原图打开程序,就会出现一个简明教程,建议浏览一下,如果不想它下次再出现,就勾选左下角Don’tshow,想看随时可以点右上角的”?
”,点QuickStarttips,它就会出来的。
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点下方的StartaNewPreject,开始新项目。
[+]查看原图界面就是这样,三部分:
上面一行图标,右边一条图标,中间一个淡蓝色的坐标(pan,就是工作台),有X轴和Y轴,清清爽爽。
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菜单在哪?
对不起,没有我们熟悉的文字菜单,全是图标。
工具栏在哪?
就是右边的一条视图工具。
2、放入物体
开始工作,放几个物体到台上。
点击这里:
这是基本几何体(Primitives),左边五个立体的,右边四个平面的。
点中左边任一个,在蓝色的工作台上(pan)再点一下,就进来了,把立体的一个个点进来:
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点进来的物体,都放在台上,都是贴紧台面放的。
这么简单!
开始做第一个作品:
一根棒棒糖。
就是放五个球(糖葫芦),再放一个圆柱体(棍子)。
先把上面的东西全删除:
点击物体,按键盘上的“Delete”。
再放五个球。
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3、移动物体:
按住鼠标左键拖动小球,一个挨一个,排成一条直线:
真的一个挨一个站在一条直线上了吗?
不一定!
记住,我们现在是画三维图,可是电脑屏幕是平面的(二维),所以我们看到的只是一个角度,这个角度看是站在一条直线,换个角度就不一定了。
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实是这样的:
4、工作面操作
怎么会这样?
你是怎么看的?
这就要学会工作面的操作:
按住中键拖动鼠标,就能平移台面,按住右键,拖动鼠标,就能改变视角,滚动滚轮,就能缩放视图!
右边视图工具上也有这三个功能,上方还有一个视图立方体,点击可快速切换到各方向视图,比如前视图(FRONT),左视图(LEFT)顶视图(TOP)等。
立方体左上角还有一个默认视图按钮,如果视角有点乱,点击可以立即回到默认视图:
点击视图立方体上的顶视图,就是从上方观察,拖动小球,基本可以保证它们一个挨一个排整齐:
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小明:
老师,即然是三维的,那你只从顶视图看,怎么能保证它们在一个高度上?
会不会有的高有的低?
问的好!
到目前为止,无论怎么移动,这些物体都是贴紧工作台放的,没有改变高度,不信你可以从其它视图看看。
接下来,我们放进一个圆柱体做棍子:
有点短,要拉长点。
5、缩放物体:
点击菜单Transform(变换),有两个子菜单:
移动和缩放。
点击缩放,出现
一个箭头,拖动它,就能放大缩小:
小明:
土肥圆呀?
我要它变长,变细,不要变粗!
可以,大家仔细看一下点中缩放后的对话框:
其实是有选项的,点击第一个小三角:
Uniform(按比例),Non-uniform(不按比例)。
默认是按比例缩放的。
选中不按比例后,就会出现三个箭头,分别是拉长、拉宽、拉高,各拉各的。
当然,也可以拉小:
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拉吧:
得横过来吧?
6、全方位移动物体:
点击菜单Transform(变换),点击子菜单Move/Rotate(移动/旋转),再在圆柱体上点击,出现三个箭头、三个小方块和白色圆点,还有三个带双箭头的小圆圈:
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三个箭头:
拖动它们,可以在X、Y、Z三个方向移动物体。
三个小方块:
拖动它们,可以在XY、YZ、ZX三个面内移动物体。
白色圆点:
拖动它可以在任意方向移动物体。
(一定要变换不同视角观察,否则你自已都不知移到哪去了。
三个带双箭头的小圆圈:
拖动它们,可以绕X、Y、Z轴转动物体。
拖上面那个,转90度,打横;再拖白色小箭头把棍子插入到小球中:
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记得从各个角度看看。
养成好习惯,记得保存。
7、保存
把光标移到左上角,就会出现下拉菜单,点Save(保存),有两个选项:
Tomyprojectes(保存到我的项目,这个要注册,在云端)Tomycomputer(保存到我的电脑)果断地选第二个。
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第三章:
123DDesign(第二讲:
学会建模,做个杯子)第二讲:
学会建模,做个杯子教学目标:
学会拼接物体,切割物体,倒圆角,隐藏轮廓线,上色。
教学重点:
联合菜单(Combine)做个杯子,就学会了。
第一步:
放个圆柱(杯体)第二步:
再放个圆环(把手)ooeyYZTjj1
第三步:
把圆环竖起来,拼在杯子上点击圆环,下面出现快捷菜单,点击移动:
出现出现X、Y、Z三个方向移动箭头和三个旋转面,拖动X轴旋转面,转动90度(或拖动后在旁边对话框中输入90:
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竖起来了:
通过右键拖动,改变视图角度观察,拖动箭头或中间小圆点移动圆环,往杯子上靠并镶入杯子上。
最后点击右上角视图立方体的Front(前视图)、Top(顶视图)观察并调整:
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把手有点大,点击圆环,出现快捷菜单,点击缩
放:
拖动白色箭头缩小到合适大小。
如果圆环离开了圆柱,请用移动工具拖回去:
小明:
这不是杯子!
是锤子!
杯子是空心的。
第四步,掏空
现在,我们要想办法掏空圆柱,就是要挖掉中间的部分,这就要用到Combine(联合)菜单:
点菜单:
Combine联合,下面有三个子菜单:
Merge合并(两物体合并,相当于数学中的并集)Subtract去除,切割(用一个物体切割另一个物体)Intersect相交(留下两个物体的公共部分,相当于数学中的交集)我们做个小实验:
分别放进一个正方体,一个球,把球放在正方体上面,分别使用三个工具:
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我们要用第二个子菜单:
切割(用一个物体切割另一个物体)。
点击切割,出现两个箭头:
被切割物体显然是指杯子的圆柱部分,另一物体呢,就是指要切去的部分,我们还没准备好。
点击杯子的圆柱体,Ctrl+C(复制),Ctrl+V(粘贴),复制了一个相同的圆柱体,两者重合在一起:
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拖动向上的箭头,把新的圆柱拉起一点,再选中新的圆柱,用缩放工具缩小一点:
用来切割的物体有了,我们再点击菜单Combine(联合),Subtract(切割):
出现两个箭头:
先点击待切割的大柱体(杯体),(软件会自动跳到第二个箭头)再点击用来切割的小柱体(注意次序!
),再在空白处点击或回车:
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杯子做好了,好漂亮!
漂亮吗,你从顶部看一下!
小明:
纳尼,里面也有个把手!
得把它割掉。
第五步:
删除多余部分
点中多余部分,Delete!
删掉。
什么?
外面的把手也删掉了!
赶紧后悔,菜单栏上有,快捷键分别是:
Ctrl+Z和Ctrl+Y:
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为什么会一起删除呢?
这是因为,现在,我们只有两个零件,一个杯体,一个圆环,都是整体。
只有把它折分了,才行。
还要用到联合菜单。
点菜单:
Combine(联合),选第一个,Merge(合并),出现两个箭头:
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分别点中杯子和把手(这个没有次序),回车或在空白外点一下:
小明:
一点也没变!
是的,合并就是这样,表面看不出变化,但与合并前有区别,两个物体变为一个整体,不能单独移动了。
并且,它还把圆环分为三个部分了:
里面的,外面的,还有镶嵌在杯子上的。
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在空白处点一下,再把光标移到杯子上点一下,再移动光标到里面的圆环上,直到里面的圆环边缘变绿,果断点中,Delete!
好了:
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好是好了,不过真不漂亮。
好的,我们来美化一下。
第六步:
修边
点击菜单Modify(修改)——Fillet(倒圆角,就是把边变圆),右边的Chamfer(倒角,是直的),自学。
点中你想修的边,还可以接着点中你想修的其它边,拖动白色箭头,也可以在下面对话框中输入圆角半径0.5mm,在空白处点击或回车,漂亮多了。
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小明:
老师,我的杯子上有很多黑线!
那是轮廓线,可以隐藏,点右边视图工具显示选项的中间那个(只显示物体):
第七步:
上色
[+]查看原图QF81D7bvUA
点菜单最右边的Meterial(材质),出现对话框,选择一种材质,再点杯子,杯子的材质就变了。
如果颜色不喜欢,在右边色盘上再选,记得打勾(应用)。
提示:
上色只是为了好看,便于你在网上炫耀,对打印丝毫没有影响。
记得保存(参看第一讲)4B7a9QFw9h
课堂小结:
这节课我们通过一个杯子,学会了切割,拼接,倒角,上色。
更重要的是,我们学会了:
1、建模的重要思想:
先粗后精,就是先考虑物体的主体架构,再考虑局部,拉出个大概再说。
2、建模的重要方法:
加法和减法。
拼接就是加法,切割就是减法。
3、建模的重要步骤:
先结构,后修饰。
第二章:
123DDesign(第三讲:
艺术畅想,做个花瓶)第三讲:
艺术畅想,做个花瓶教学目标:
学会放样,抽壳,阵列。
教学重点:
放样瓶子大约是这样的:
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建模分析:
花瓶不是基本几何体,无法直接建模。
但它有特点:
对称,横截面都是圆,只是大小不同。
可是,我们也不能一个一个去画无数个圆呀。
再仔细观察,发现有几处关键截面:
底部、肚子,瓶颈、瓶口!
如果能利用这几处做出瓶身就好了。
123D正好有这么一个工具:
放样,就是先画出有特点的面,其它工作就交给计算机好了。
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第一步,做瓶身
点击菜单Primitives(基本几何体)Circle(圆)拉出一个圆:
点击拉出的圆,按Ctrl+C,Ctrl+V复制一个圆,自动出现移动新圆的箭头:
拖动向上的箭头(Z轴)或在对话框中输入10mm,上下有两个圆。
小明:
没有!
只有一个圆,底下没有圆!
是的,怪我没说清楚。
这里有个选择对象的问题:
选中圆圈还是选中圆面!
选中圆圈:
如果你在圆的边缘点击,选中的是圆圈,中间是透明的,会有直径数据出现,这时没有复制,移动的就是原来的圆。
选中圆面:
要把光标移到圆中,出现绿色光环再点击,才会选中整个圆面!
中间是蓝色的:
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正确的应该是这样的:
在空白处点击,或回车,完成复制。
同样,按Ctrl+C,Ctrl+V,分别拉高20mm,30mm在竖直方向复制出三个一样的圆:
点击底下第一个圆的边缘,右下角会出现一个小齿轮(快捷菜单):
选中第一个EditDimension(修改尺寸),点击圆的边缘,再把光标移到圆里,点击,就会标注圆的直径(如上图)。
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如果点击圆的边缘,再把光标移到圆的外面,就会在圆的外面标注直径:
在直径上点击(或数值标注线上点击,记住,别的地方点不出来!
),就会出现数值修改框,改为20mm,回车确定(空白处点击无效):
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提示:
一旦标注过尺寸,下次再想改变标注位置就会出错(这不科学),但可以修改尺寸:
依次把上面三个圆直径设为:
30mm,10mm,15mm,或者你喜欢的数值:
按住Shift键,从下到上依次点中上面四个圆面:
点菜单Contact(构建)-Loft(放样):
瓶子做好了,不过是实心的:
小红:
老师,我的瓶子是空心的,跟你的不一样!
没有专心听讲哦,我强调过,要依次选中四个圆面,你第三个和第四个顺序反了,不过也很漂亮。
小明:
老师,我根本放不出来,无效操作!
老师,我也是,我也是。
失败原因如下:
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必杀秘籍:
1、选择圆面时,光标从边缘慢慢往里移,出现绿色光环时果断点击。
2、小圆很难出现光环,用滚轮放大。
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第二步:
掏空
掏空可以用第二讲的切割法,不过太麻烦,有更好的办法:
点修改(Modify)—抽壳(Shell),点击最上面的圆面(开口面):
出现一个箭头,拖动它,或在下面输入厚度:
0.5mm,回车:
一个漂亮的瓶子做好了。
提示:
做杯子也可以用抽壳的办法,而且侧面和底面的厚度相同。
第三步,修饰
点击菜单Modify(修饰)—F
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