論3D打印課程教學中的設計與制作技巧

蘇嘉明 郭涌 蘇慧明

摘要：近年來3D打印技術(shù)開始全面普及到大學的課堂當中，為各層次的學生提供了發(fā)揮，實現(xiàn)夢想、創(chuàng)意的重要工具，已經(jīng)越來越受到教育機構(gòu)的重視。

關(guān)鍵詞：3D打印;教學設計;表面處理技巧;FDM打印技術(shù)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0215-02

1 3D打印在高職院校的普及歷程及現(xiàn)狀

自從2013年以來隨著多種打印技術(shù)陸續(xù)被引進國內(nèi)并逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化[1]。這些技術(shù)主要有：FDM層堆積成型技術(shù)、粉末層粘合技術(shù)、紫外激光固化技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)等。由于FDM技術(shù)難度相對要求低各種設備零件比較容易在市場上找到所以迅速在各領域普及開來甚至連兒童教育領域也已經(jīng)開始流行。

2 3D打印技術(shù)在高職教育中主要適用于哪些專業(yè)

最早應用3D打印技術(shù)的專業(yè)應該是工業(yè)制造、產(chǎn)品設計、珠寶首飾相關(guān)專業(yè)。環(huán)境藝術(shù)專業(yè)、數(shù)字媒體設計與制作專業(yè)也是3D打印未來主要針對的專業(yè)類型，服裝設計專業(yè)與廣告設計專業(yè)現(xiàn)在也有一定的內(nèi)容及課程可以使用3D打印技術(shù)來呈現(xiàn)作品，可以說所有需要將虛擬內(nèi)容實體化的相關(guān)課程都可能涉及到3D打印技術(shù)。

3 在3D打印課程當中數(shù)字模型的建造是基礎

既然3D打印是將虛擬模型變成實體的一種工具，那么數(shù)字模型就是基礎。生成數(shù)字模型是一項嚴謹而且科學的操作流程，一般對于3D打印技術(shù)來說，所使用的數(shù)字模型可以分為原型創(chuàng)造以及3D掃描這兩種生成方式。

開設3D打印課之前必須開設對應的軟件實操課程，這些課程包括rino、pro-e、3Dmax、zbush、autocad、c4d等等。這些軟件都可以準確的完成數(shù)字三維模型的制作并且也都支持標準的數(shù)字模型輸出格式，都可以被3D打印軟件讀取數(shù)據(jù)并準確定位在打印設備上。

4 在制作三維數(shù)字模型時有那些技巧

我現(xiàn)在就以FDM打印機為例，談談數(shù)字模型中應該要怎樣進行結(jié)構(gòu)設計。

（1）首先數(shù)字3D模型制作的時候應該考慮被打印模型的結(jié)構(gòu)形式，應該是整體打印還是分拆打印。由于地球重力原因FDM熱熔打印方式在沒有完全冷卻的狀態(tài)下會向下彎曲，所以必須要考慮模型外形角度問題，假如一個物體中某個面與垂直線的角度小于45度且或懸空，則坍塌。3D打印里面亦如此。雖然在打印材料會有一定的粘附性，但材料也會在沒有完全冷卻之前因本身的重力而向下坍塌，從而導致打印失敗。這也是我們通常所說的45度法則。只有模型結(jié)構(gòu)傾斜度大于45度角在打印的時候才能保證模型不變形，反之則可能出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。如果造型必須要小于45度角可以考慮分拆這部分模型。下面我以3Dmax平臺為例看看如何分拆模型。

首先將需要打印的模型類型轉(zhuǎn)換成“多邊形”，之后將小于45度的部分分離出來，必須勾選“分離到元素”這個選項。由于主體與分離出來的部分都會存在空缺的面，輸出打印的時候會出錯，所以我們必須把空缺的面補上，使用多邊形下面的“生成面”命令來修補空缺。修補完成后，分拆出來的物體要重新擺放到與主體同一水平面的位置上可以使用“對齊”工具對齊水平面。

為了提高打印效率在制作3D模型上應該盡量采用空心模型，推薦使用“布爾運算”的方式將主體結(jié)構(gòu)掏空然后再實施打印，這樣既節(jié)省材料也可以提高打印速度。布爾運算的操作有多種方法我用最常用的方法演示一下：

首先參與運算的模型必須是沒有破面或者缺失頂點。然后將要布爾運算的物體復制一個副本，并將副本等比例縮小到合適尺寸?？s小比例后的副本需要用“對齊工具”對齊主體中心，接下來使用“復合對象”中的“布爾運算”功能將副本從主體中減去，這樣就獲得了一個空心物體。

（2）如果選擇分拆模型的方式進行打印我們應考慮各分拆模型之間的連接方式。一般連接方式可分為固定式與活動連接兩種，固定式就是模型各分拆結(jié)構(gòu)之間不需要活動純粹是靜態(tài)連接，這種情況下我們只需要考慮更多的接觸面積來粘合模型讓打印出來的模型更加牢固通常的方式是用“榫卯結(jié)構(gòu)”。第二種活動連接形式是考慮到模型組裝后某些部件可以在一定范圍內(nèi)進行活動，如果這樣的話就要考慮活動部件之間的銜接機械構(gòu)造，這種形式也要求學生有一定物理知識，及機械結(jié)構(gòu)知識，利用塑料的具有一定任性的特點，將需要分拆的部分設計成卡扣形狀。

5 根據(jù)需要打印物體的不同形態(tài)來判斷支撐類型

一般來說對于小于45度曲面結(jié)構(gòu)，在打印輸出軟件都可以自動增加支撐結(jié)構(gòu)，但是自動增加支撐結(jié)構(gòu)前提是打印機使用兩種不同的材質(zhì)，一種是打印材料，另一種是可以通過介質(zhì)可以去除的支撐材料，如果用一種材料打印可能需要考慮生成支架的方式。

要打印復雜的外形尤其是有空穴結(jié)構(gòu)，就需使用3D軟件生成支架，自主設計支架可以避免自動生成支架過于密集。支架之間間距要設計合理，支架底部要有足夠的接觸面以達到支架的穩(wěn)固性。同時支架的粗細、外形也應該考慮在節(jié)省材料的前提下符合力學結(jié)構(gòu)要求。在3Dmax中多采用內(nèi)交叉造型的支架，制作過程大致是首先使用“平面圖形”line工具在前視圖勾畫出直接的支架輪廓，這里要注意的是line必須是完全閉合。接下來我們使用“擠出”工具將支架輪廓線擠出一定的厚度放置在需要支撐結(jié)構(gòu)分的下方并與其接觸。

6 打印模型的后處理技巧也是3D打印課程中的重點

首先是拆支架的技巧。在打印完成后如果拆除支架又想保護模型表面完整光滑是我們需要訓練學生的一門技能，使用同一種材料打印模型，就必須用專用工具來拆支架，拆支架要用魚嘴鉗從支架中部剪切，然后再用細鉗從模型曲面上根除支架，對于殘留的結(jié)構(gòu)要用打磨機和銼刀對殘留在表面的支架根除。

其次是模型表面處理技巧。由于FDM打印精度最高只能做到0.1mm，所以對于復雜曲面結(jié)構(gòu)的表面光滑程度不夠，打印完成后模型表面需作后處理。后處理的方法有兩種：一種減法，通過丙酮蒸汽溶劑對模型表面蒸烤讓其材料溶解自動填平模型表面的缺陷部分，這種方法出來的光滑效果特別好，但模型會丟失部分細節(jié)構(gòu)造，同時丙酮蒸烤會排出有毒氣體，操作的人也需要帶口罩隔絕有毒氣體對人體的傷害。第二種方法是加法，是在模型表面增加涂層覆蓋表面缺陷部分。這種方法優(yōu)點是能保留細節(jié)，對人體無害。涂層一般采用粘稠材料，這類材料可以是原子灰、經(jīng)過混合的石膏粉等。這種方法也有缺點就是工序較為復雜，容易丟失細節(jié)，還需要對表面打磨。

綜合以上所述在3D打印的基本流程可分為素材采集分析;結(jié)構(gòu)設計;3D數(shù)字建模（3D掃描）;分層切片輸出;成品打印這5個大環(huán)節(jié)如圖1。

每個環(huán)節(jié)在實際教學當中應以培養(yǎng)學生掌握技術(shù)并動手實操為主的教學模式，在傳授模型制作技巧及打印操作技術(shù)外，應更多鼓勵學生發(fā)揮自身創(chuàng)新性、自主研究、探索設計創(chuàng)意與技術(shù)的結(jié)合，鍛煉他們學習做事的恒心、毅力。努力培養(yǎng)他們成為“大國工匠”。

參考文獻

[1] 覃杰音.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].發(fā)明與創(chuàng)新-職業(yè)教育，2019（02）：72-73.

Design and Making Skill in 3D Print Teaching

SU Jia-ming， GUO Yong， SU Hui-ming

（Guangzhou Institute of? Technology，Guangzhou? Guangdong? 510075）

Abstract：In recent years，3D printing technology began to be widely used in university classrooms， providing important tools for students at all levels to play and realize their dreams and creativity， which has been paid more and more attention by educational institutions.

Key words：3D Print;desing of teaching;surface smooth skill;FDM print skill