第一章 3D打印与小小创客：开启数字制造之旅

你有没有过这样的时刻：拼了好久的积木城堡突然塌了一角，想要补上却发现没有同样颜色的积木块？给宠物仓鼠做的小跑道总是不够顺畅，想要调整却找不到合适的材料？或者看到课本上画的太阳系行星，总觉得平面的图看不清楚大小和层次？如果告诉你，有一台“魔法机器”可以把你脑中的所有奇思妙想变成真的摸得到的东西，你是不是特别想知道它的秘密？没错，这台魔法机器就是3D打印机（3D Printer），而学会使用它的你，就是一名了不起的小小创客（Little Maker）。从今天开始，我们就一起开启这场充满惊喜的数字制造（Digital Manufacturing）之旅吧。

1.1 什么是3D打印？从“搭乐高”说起

3D打印的正式学名叫增材制造（Additive Manufacturing），这个名字听起来有点难懂，其实它的原理特别简单，就像你平时搭乐高（LEGO）一样：一块一块往上堆，最后搭出你想要的城堡、汽车或者小动物。不同之处在于，3D打印的“积木块”是 microscopic 的，薄到只有头发丝十分之一厚，打印机把它们一层一层精准地堆在一起，最后就变成了一个完整的实体物品。

和增材制造对应的，是我们平时更熟悉的传统制造方式——减材制造（Subtractive Manufacturing），它的原理就像削铅笔：从一块大的原材料开始，用刀具、铣床、车床等工具把多余的部分切掉、削掉、磨掉，最后剩下你想要的部分。比如你要做一个木制的小木马，传统方法是找一块合适的木头，用锯子锯出大概的形状，再用刨子刨光滑，最后用刻刀刻出细节，这个过程会产生很多木屑，也就是 waste materials；而如果用3D打印做小木马，只需要用木塑线材（Wood-filled Filament）作为原料，打印机只会用做小木马需要的材料，几乎不会产生 waste。

我们可以用具体的数字来对比两种方式的材料利用率：假设你要做一个体积为10立方厘米的塑料小鸭子，用减材制造的话，需要从一块100立方厘米的塑料原料上加工，最终只有10立方厘米被用上，材料利用率只有10%，剩下的90%都变成了塑料废料；而用增材制造的话，只需要用到11立方厘米的原料（多出来的1立方厘米是支撑结构和不可避免的损耗），材料利用率能达到90%以上。对于小朋友来说，这意味着你用几毛钱的耗材，就能做出自己想要的小玩具，既省钱又环保。

目前市面上适合小朋友入门使用的3D打印技术主要是熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM），也就是我们常说的FDM打印：它的工作原理是把盘成卷的耗材（Filament，一般是PLA聚乳酸或者ABS塑料）送到加热的喷头（Nozzle）里，喷头把耗材加热到180-220摄氏度，变成粘稠的液体，然后按照模型的路径一层一层挤在打印平台（Build Plate）上，挤出来的材料很快冷却变硬，一层叠一层，最后就变成了完整的模型。这种打印机的价格很便宜，入门级的只要1000元左右，重量只有5公斤，和一台微波炉差不多大，小朋友用零花钱攒几个月就能买得起，操作也很简单，只要会按按钮、会拖动鼠标就能学会。

除了FDM，还有光固化3D打印（Stereolithography, SLA），它的原理是用紫外线光束照射液态的光敏树脂，让树脂一层一层固化，最后形成模型。这种打印机打印出来的模型特别精细，表面光滑，适合做首饰、手办、盲文模型等需要高精度的物品，不过树脂有一点味道，而且打印完需要用酒精清洗，适合有老师指导的时候使用。

> 侧边栏：小知识 > 世界上第一台3D打印机是1984年由美国工程师查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明的，那时候的打印机重达几百公斤，需要放在专门的实验室里，成本高达几十万美元。经过40年的发展，现在最小的3D打印机只有手掌大，价格只要几百元，甚至可以放进书包里带到学校使用。

> 常见问题解答 > Q：3D打印的东西结实吗？会不会一碰就碎？ > A：用PLA材料打印的东西，硬度和你平时玩的乐高积木差不多，只要不是故意从高处摔，日常使用完全没问题；如果用ABS材料打印，硬度和你玩的塑料玩具差不多，更结实，甚至可以当工具用。当然，如果你打印的东西特别薄，比如薄到0.5毫米的卡片，那肯定容易断，就像普通塑料卡片一样。

1.2 3D打印为什么是小小创客的魔法工具？

“创客（Maker）”这个词源于英文“Make”，意思是“自己做”，创客精神的核心就是“我能动手把我脑中的想法变成真的东西”。在过去，如果你想要一个定制化的文具、一个特殊形状的玩具零件，只能去商店买现成的，或者找工厂定制，成本很高，而且需要等很久。但现在，只要你有一台3D打印机，有建模软件，你脑中的想法几个小时就能变成真的东西，这就是3D打印给小小创客的魔法。

在STEAM教育（STEAM Education，即科学Science、技术Technology、工程Engineering、艺术Arts、数学Mathematics的跨学科教育）中，3D打印已经成了最重要的工具之一，因为它能把课本上抽象的知识变成看得见、摸得着的实体，让学习变得特别有趣：

• **科学（Science）**：课本上的地球结构图是平面的，你很难想象地壳、地幔、地核到底是啥样的，但如果你用3D打印一个分层的地球模型，每一层都可以拆下来看，还能在地壳层上打印出山脉、海洋，一下子就懂了地球的结构；还可以打印太阳系模型，每个行星的大小比例都是按照真实的1:10亿做的，比课本上的图直观10倍。
• **技术（Technology）**：学习3D打印的过程中，你会学会用建模软件（比如专门给小朋友用的Tinkercad），会操作打印机，会排查打印故障，这些技术能力是未来人工智能时代最重要的基础能力之一。
• **工程（Engineering）**：你可以设计一个小桥，测试它的承重能力，不断优化结构，最后做出一个用最少材料、承重最重的小桥，这个过程就是最基础的工程设计训练。
• **艺术（Arts）**：你可以设计自己专属的首饰、书签、装饰画，把你的绘画作品变成浮雕，甚至可以打印出会动的机械玩具，把艺术创意变成真的东西。
• **数学（Mathematics）**：打印一个莫比乌斯环（Möbius Strip），亲手摸一摸，你一下子就能明白为什么它只有一个面、一条边，比课本上的公式好懂100倍；还可以打印各种几何体，计算体积、表面积，理解比例、对称的概念，空间想象能力会提升

空间想象能力会提升，对数学里的对称、比例、几何概念也会有更直观的理解。我们来看一个真实的案例：上海某小学五年级的学生小棠，上科学课学习“桥梁承重”时，老师要求大家用20克纸张搭建一座能承重500克的桥，小棠试了3次传统折纸桥都失败了，最后她用3D打印了一个镂空的三角形桥墩结构，最终这座桥承重达到了1.2公斤，是班级里成绩最好的，还代表学校参加了市的创客比赛。这个例子就很好地说明了3D打印如何帮助小朋友把课本上的工程知识变成可验证的实物，让STEAM学习不再是纸上谈兵。

除了学习场景，3D打印还能帮小朋友解决生活中的真实小问题。杭州有一位三年级的小朋友养了一只小仓鼠，总喜欢咬笼子上的塑料横条，不仅容易把牙齿磨坏，还把笼子咬出了洞，他在网上找不到合适的小仓鼠磨牙玩具，就自己用3D建模软件设计了一个带凹凸纹理的小圆环，打印出来之后小仓鼠特别喜欢咬，再也没碰过笼子。还有很多小朋友会给流浪猫设计带编号的项圈，给视障同学设计带盲文的文具，给奶奶设计防滑的肥皂盒，这些看似很小的创意，都是创客精神的体现——发现问题，动手用技术解决问题。

1.2 小小创客的核心能力：从“想”到“做”的魔法

很多人觉得“创客”是很厉害的人，其实不是，创客的核心是“我能动手把我脑中的想法变成真的东西”，只要你愿意观察、愿意动手、愿意解决问题，你就是一名小小创客。3D打印之所以是小小创客最趁手的魔法工具，是因为它把过去只有工厂才能完成的“定制化制造”能力，交到了每个小朋友手里：过去你想要一个专属的笔筒，要去商店买现成的，或者找工厂定制，至少要等一周，还要花几十块钱；现在你只要花10分钟设计模型，花2块钱的耗材，1个小时就能拿到专属的笔筒，还能在上面印上你自己的名字或者喜欢的卡通图案。

根据2024年中国教育技术协会的调研数据，全国已经有超过2.3万所中小学开设了3D打印创客课程，其中72%的学校把3D打印作为STEAM教育的核心工具。调研显示，学过3D打印的小学生在空间想象能力、问题解决能力、动手能力三个维度的测评中，平均得分比没学的学生分别高27%、31%和29%，这说明3D打印不仅能帮小朋友学好课本知识，还能培养未来社会需要的重要能力。

> 侧边栏：小知识 > 3D打印还有个很厉害的名字叫“数字制造（Digital Manufacturing）”，意思是所有的设计都在电脑里完成，只要改一下电脑里的模型，打印出来的东西就会变，不用重新做模具，特别适合做定制化的物品。现在医院的医生也会用3D打印病人的骨骼模型，做手术之前先在模型上练习，能把手术成功率提高30%以上；航天领域的火箭零件也有30%是用3D打印做的，比传统的零件轻40%，强度还更高，国际空间站里甚至装了3D打印机，宇航员如果缺少零件，不用等地球寄过去，直接在空间站里打印就行。

1.3 本书双语学习框架与配套资源

3D打印是国际化程度很高的技术，大部分专业术语、软件操作、国际比赛规则都是英文的，为了让小朋友既能掌握中文的实操知识，又能熟悉英文的专业术语，为未来参加国际创客比赛、看国外教程打基础，本书特意设计了中英双语学习框架，所有核心术语都会标注中英对照，配套的音频资源由 native speaker 录制，帮助小朋友掌握标准发音。

本书同时配套三类资源，适配不同学习场景： 1. 纸书专属资源：每章末尾附有二维码，扫描可以观看本章的操作演示视频、拓展案例视频，还有配套的模型文件下载链接，小朋友可以不用自己建模，直接下载现成的模型打印练习。 2. 电子版专属资源：支持超链接跳转，点击术语可以直接跳转到附录的术语表，点击案例名称可以观看对应的作品视频，还有配套的线上社区入口，小朋友可以上传自己的作品，和其他小小创客交流。 3. 通用学习路径：本书共15章，按照“认知-实操-创新”的逻辑设计，入门阶段（第1-4章）学习基础概念、软件操作、打印机使用，能独立打印简单的几何模型；进阶阶段（第5-10章）学习参数调整、故障排查、功能件设计，能独立完成有实用价值的创意作品；高级阶段（第11-15章）学习复杂建模、创客比赛技巧、公益项目设计，能参与团队创客项目，解决真实问题。

> 📱 电子版提示 > 点击这里可以直接跳转到Tinkercad官网，这是全球最受欢迎的儿童友好3D建模软件，完全免费，不需要下载，打开浏览器就能用，是本书教学的核心软件。

1.4 儿童友好型3D打印应用案例集锦

为了方便小朋友直观理解3D打印的用途，我们整理了来自全球各地小小创客的真实案例，按用途分为四大类，所有案例都是8-14岁的小朋友独立或团队完成的，难度从1星到5星递增，你可以根据自己的年龄和能力选择尝试。

| 分类 | 案例名称（中英） | 案例描述 | 适合年龄 | 难度星级 | |------|----------------|----------|----------|----------| | 学习辅助类 | 盲文象棋（Braille Chess） | 上海五年级学生为视障同学设计，每个棋子表面都有对应盲文凸点，视障同学可以通过触摸区分棋子，和普通同学一起下棋 | 10+岁 | ★★★ | | 学习辅助类 | 几何体教具（Geometry Teaching Aids） | 深圳三年级学生为数学课设计，包含正十二面体、莫比乌斯环、圆锥体等可拆解的几何模型，每个模型都标注了边长、角度参数，帮助同学理解几何概念 | 8+岁 | ★★ | | 学习辅助类 | 古文字立体模型（Ancient Character 3D Models） | 杭州六年级学生为语文课设计，把甲骨文、金文、小篆的汉字做成立体模型，每个字的笔画结构都清晰可见，帮助同学理解汉字演变规律 | 11+岁 | ★★★ | | 生活实用类 | 防滑肥皂盒（Non-slip Soap Dish） | 成都四年级学生为奶奶设计，底部有凸起的防滑颗粒，边缘有排水槽，奶奶手滑也不会把肥皂掉在地上，肥皂也不会被泡软 | 9+岁 | ★★ | | 生活实用类 | 笔握矫正器（Pen Grip Corrector） | 北京二年级学生为握笔姿势不好的同学设计，笔握上有三个对应手指位置的凸起，帮助同学养成正确的握笔姿势，预防近视 | 7+岁 | ★ | | 生活实用类 | 仓鼠磨牙玩具（Hamster Chew Toy） | 杭州三年级学生为自己的小仓鼠设计，带凹凸纹理的圆环结构，既可以磨牙，也可以当跑轮玩具，避免仓鼠咬笼子 | 8+岁 | ★★ | | 公益行动类 | 盲文日用品标签（Braille Daily Necessity Labels） | 南京四年级学生为社区视障老人设计，打印了带盲文的洗衣液、调味料、药品标签，老人不用凑近看标签，摸一下就能知道物品名称 | 9+岁 | ★★ | | 公益行动类 | 假肢小仓鼠（Prosthetic Hamster） | 美国10岁女孩Lyla为失去前爪的仓鼠Niblet设计，打印了轻便的硅胶假肢，让Niblet可以正常跑跑轮、吃瓜子，现在已经健康生活了2年 | 12+岁 | ★★★★ | | 公益行动类 | 无障碍坡道垫片（Accessible Ramp Spacer） | 长沙六年级学生为学校无障碍通道设计，打印了3厘米厚的塑料垫片，填补了轮椅坡道和地面之间的缝隙，防止轮椅轮子卡进去，现在已经装在了学校所有的无障碍坡道上 | 11+岁 | ★★★★ | | 创意玩具类 | 自走齿轮甲虫（Self-walking Gear Beetle） | 上海五年级学生设计，内部有齿轮传动结构，上紧发条就可以自己爬行，还可以更换不同的齿轮调整爬行速度 | 10+岁 | ★★★★ | | 创意玩具类 | 定制象棋（Custom Chess Set） | 深圳六年级学生为爸爸设计，每个棋子上都刻了家人的卡通头像，国王是爸爸，王后是妈妈，小兵是小朋友自己，是送给爸爸的生日礼物 | 11+岁 | ★★★ | | 创意玩具类 | 水火箭配件（Water Rocket Accessories） | 杭州四年级学生设计，打印了水火箭的4片尾翼和喷嘴，组装到2升的塑料瓶上，打气后可以飞到15米高，还获得了学校的科技节一等奖 | 9+岁 | ★★★★ |

1.5 3D打印基础概念中英对照表

为了方便小朋友学习专业术语，本书整理了本章核心概念的中英对照表，所有术语都会在后续章节中反复出现，建议小朋友熟记： | 中文术语 | 英文术语 | 儿童友好解释 | |----------|----------|--------------| | 3D打印 | 3D Printing | 把脑中的想法变成真的东西的魔法技术 | | 增材制造 | Additive Manufacturing | 像搭乐高一样一层一层堆材料的制造方法，几乎不浪费材料 | | 减材制造 | Subtractive Manufacturing | 像削铅笔一样切掉多余材料的制造方法，会产生很多废料 | | 熔融沉积成型 | Fused Deposition Modeling (FDM) | 最常用的3D打印技术，把加热变软的塑料线一层一层挤出来成型，入门级打印机都用这个技术 | | 光固化3D打印 | Stereolithography (SLA) | 用紫外线照射液态树脂固化的打印技术，打印出来的模型特别光滑精细 | | 喷头 | Nozzle | 3D打印机里把加热变软的耗材挤出来的小喷嘴，就像挤奶油的嘴 | | 耗材 | Filament | 3D打印用的“墨水”，一般是盘成卷的塑料线，有几十种颜色可选 | | 建模 | Modeling | 用电脑设计你想要的东西的样子的过程，就像用电脑画画 | | 切片 | Slicing | 把你设计的模型切成一层一层的薄片，告诉打印机每一层怎么打印的过程 | | 打印平台 | Build Plate | 3D打印机里放模型的地方，就像烤面包的烤盘，有的可以加热，让模型粘得更牢 | | 支撑结构 | Support Structure | 打印悬空部分的时候临时搭的“脚手架”，打印完可以拆掉，就像搭房子的时候用的临时支架 | | 层高 | Layer Height | 每一层“积木”的厚度，层高越小模型越光滑，但是打印时间越长，一般入门用0.2毫米层高就够了 | | 后处理 | Post-processing | 打印完之后打磨、上色、拆支撑的过程，就像你搭完乐高之后给它涂颜色 | | PLA耗材 | PLA Filament | 用玉米、甘蔗做的环保耗材，打印的时候没有味道，用完可以埋在土里降解，是最适合小朋友入门用的耗材 | | ABS耗材 | ABS Filament | 用石油做的结实耗材，打印出来的东西更耐摔，适合做需要承重的物品，但是打印的时候有一点味道，需要在通风的地方用 |

> 侧边栏：小实验 > 你可以拿一张硬纸板，剪成1厘米宽的纸条，把纸条的一端扭转180度，然后用胶水把两端粘起来，就做了一个简易的莫比乌斯环。拿一支笔沿着环的中间画线，你会发现笔不用离开纸面就能画完整个环的两面，这就是莫比乌斯环只有一个面、一条边的神奇特性，比课本上的公式好懂多啦！如果你有3D打印机，还可以打印一个大的莫比乌斯环，摸一摸、转一转，理解得更深刻。

1.6 3D打印 vs 传统制造：到底哪里不一样？

为了让大家更清楚地理解3D打印的优势，我们可以用具体的例子对比增材制造和减材制造的差异。假设你要做一个手掌大的塑料小恐龙玩具，体积大概是50立方厘米：

• 如果用减材制造（传统加工）：需要从一块200立方厘米的塑料原料上雕刻，最终只有50立方厘米被用上，材料利用率只有25%，剩下的150立方厘米塑料废料需要专门处理，成本大概要30块钱，还要等工厂3天才能做好。
• 如果用增材制造（3D打印）：只需要用到55立方厘米的耗材（多出来的5立方厘米是支撑结构和损耗），材料利用率达到90%以上，耗材成本只要2块钱，打印时间只要2个小时，你还可以自己改恐龙的颜色、花纹，加个小帽子、小翅膀，完全按照你的想法来。

这种差异在定制化、小批量生产的场景下特别明显：如果你要做一个刚好能卡在你书桌缝隙里的笔筒，传统工厂需要专门开模，开模费就要几千块，做1个和做1000个成本差不多；而用3D打印的话，做1个只要2块钱耗材，做100个也只要200块钱，完全不需要开模费。这也是为什么3D打印特别适合小小创客——你不用花很多钱，就能快速把你的想法变成真的东西。

我们可以用下面的流程图直观地理解两种制造方式的