三通孔明锁的手工“增材”制作

朱石明

孔明锁相传是三国时期诸葛孔明根据八卦玄学的原理而发明，又名“别闷棍”“六子联方”“莫奈何”“难人木”等。它不用钉子和绳子，完全靠自身结构的连接支撑，体现了古人的智慧。作为一种传统的益智玩具，仅有很少的人能真正玩转孔明锁，很多人往往是拿在手中拆解不了，或者好不容易拆解了却无法拼回原样。

在一次STEM科技实践项目中，我带领学生进行三通孔明锁制作的实践。

一、技术方案

采用增材制造技术进行制作。增材制造技术是指基于可以离散排布的耗材，运用层层堆积的原理，制作成结构复杂物体的一种加工技术。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速制造、3D打印等多种称谓。

作为STEM科技实践项目，本次活动还需体现“绿色、低碳、环保”的设计理念。在达到相同的技术性能的情况下，材料用量较少的方案得分会更高。

二、限定器材

本次活动提供的材料和工具如下。

材料为椴木方木条1根，其规格为20mm×20mm×1 000mm。

工具为手工锯1把，砂纸1张，热熔胶枪1把，胶棒1根，木工锉1把，直尺1把，角尺1把，铅笔1支。

三、思路方案

将4根边长为10mm的方木条粘合在一起即可组成边长为20mm的方木条，且如果在粘合前预留需空出的缺口，就不需要使用传统的方法锯槽了。具体如何制作呢？

（一）方案讨论

假设1：如图2所示数据，将锁件两端空出40mm，即锁件总长为100mm，则三通孔明锁总体积为：

V=20×20×20+20×20×40×6

=8 000+96 000=104 000mm3。

则需要10mm×10mm方木条的长度为：

L=V/100=104 000/100=1 040mm，1 040mm>1 000mm。

结论：此方案中，所供方木条的长度不够。

假设2：如图纸所示数据，将锁件两端空出30mm，即锁件总长为80 mm，则三通孔明锁总体积为：

V=20×20×20+20×20×30×6

=8 000+72 000=80 000mm3。

则需要10mm×10mm方木条的长度为：

L=V/100=80 000/100=800mm，800mm<1 000mm。

结论：此方案中，所供方木条长度足够，如果没有锯切操作的失误，将剩余200mm的木条。

假设3：如图纸所示数据，将锁件两端空出20mm，即锁件总长为60mm。此方案所供方木条长度虽然足够，但作品比较小，使用时手感较差，手能持握的部位较短，且会影响作品的美观。

假设4：如图纸所示数据，将锁件两端空出10mm，则作品会更小，使用时手感差等问题将更突出。

由此可见，方案2为最优选。

（二）数量统计

统计出各种规格长度的木条分别所需的数量，如表1。

四、制作过程

（一）木条锯切

按表1分别锯出不同规格的木条，用木工锉将木条的毛刺修整平滑。由于锁件2的中间是圆柱体，所以需用木工锉将其中一根80mm的木条的最中间20mm锉成圆柱体，即两端各预留30mm的长度，保证圆柱体部分处于中间。

（二）锁件合成

用热熔胶枪依照图纸将木条粘合成3个锁件。注意：为便于装配，锁件中间的间隙应略大，如两个30mm锁件间应空20mm，实际粘合时需空22mm; 30mm、40mm锁件间应空10mm，实际粘合时需空12mm。与总长80mm的木条相比，两端正好各多1mm，最后可通过砂纸磨平。

（三）锁件组装

将粘合好的3个锁件进行组装，无法拼装的可以用锉刀再进行细微修改。

首次玩孔明锁的人可能要尝试20多分钟才能悟出其中的诀窍，所以本次活动将安排45min～120min的时间供学生组装、解开孔明锁。最终制作而成的三通孔明锁如图4所示。

五、评价与交流

让学生展示自己制作完成的孔明锁，并进行交流发言。依据相关评价标准给每个作品打分。

1.按要求完成3个锁件的制作，每个锁件计20分，共计60分。

2.锁件能完美组合成孔明锁，计20分。

3.孔明锁光滑、美观，锁件间的缝隙很小，计20分。

六、提升与反思

（一）“解锁大法”

要玩转孔明锁，需要反复拆解孔明锁，总结其中的规律。师生们总结了三通孔明锁解锁与上锁的 “五字要诀”。

解锁操作要领：偏转锁件2，取下锁件1，移去锁件2，放下锁件3;

上锁操作要领：手持锁件3，偏放锁件2，正放锁件1，旋正锁件2。

（二）识破“设计陷阱”

在方案確认阶段，为何不能依据三通孔明锁的图纸直接锯切制作？

这里可用“整体法”进行分析：在原三通孔明锁的构造图纸中，3个锁件组装完成后，从X、Y、Z三个方向观察，相当于都有1根20mm×20mm×100mm的方木条，但这3根方木条中，重叠了2个20mm×20mm×20mm的立方块。

原图纸中的三通孔明锁总体积为：

V1=20×20×100×3-20×20×20×2

=104 000mm3

而教师提供的原材料木条总体积为：

V2=10×10×1 000

=100 000mm3

本次STEM科技实践活动中，预先设有“陷阱”，如果不加以必要的分析就做不出一个成功的三通孔明锁。

七、小结

本次活动创造性地融合了增材制造技术的原理，大大提高了手工制作孔明锁的效率，化繁为简。它不仅能让学生了解木工加工的工艺，而且能让学生从三通孔明锁的结构中感受传统榫卯结构的独特魅力，加深对增材制造技术的理解。