基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)在產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鄭月嬋

摘? 要：本課題分析了全國3D打印行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹3D打印技術(shù)數(shù)字化、快速化、個(gè)性化、精細(xì)化等優(yōu)點(diǎn)，具體分析DLP技術(shù)的成型原理以及優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)一步介紹基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)的工作流程，最后通過浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)生產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)典型案例來具體講解DLP技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化制造;DLP技術(shù);產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP334.8? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）14-0182-02

Abstract： In this paper， the development trend of 3D printing industry in China is analyzed. On the basis of introducing the advantages of 3D printing technology， such as digitization， rapidity， individualization and refinement， the forming principle and advantages of DLP technology are analyzed concretely. The workflow of 3D printer based on DLP technology is further introduced. finally， the application of DLP technology in product design is explained through the typical case of product creative design of product art design students in Zhejiang Agricultural Trade Vocational College.

Keywords： digital manufacturing; DLP technology; product creative design

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命——新經(jīng)濟(jì)模式如何改變世界》一書中，提出了第三次產(chǎn)業(yè)革命的模式，即：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、可再生能源、數(shù)字化制造、新材料相融合。3D打印技術(shù)從20世紀(jì)80年代后期誕生以來，已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，中國于2011年后加快推進(jìn)了該技術(shù)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，截至2018年，中國打印機(jī)銷售額將增長四倍，至37800臺(tái)，收入增長超過三倍，至1.09億美元，未來，中國在3D打印市場(chǎng)很有可能超越德美，處于領(lǐng)導(dǎo)地位。

趨勢(shì)一：傳統(tǒng)制造業(yè)與3D打印“增”“減”制造長期共存

傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)歷了上千年的積累和發(fā)展，技術(shù)、工藝以及材料等均已非常成熟，然而3D打印產(chǎn)品研發(fā)周期短、用料省、用時(shí)更快，在產(chǎn)品研發(fā)初期和小批量及個(gè)性化定制方便優(yōu)勢(shì)太明顯，加上現(xiàn)在的設(shè)計(jì)趨勢(shì)明顯多樣化、個(gè)性化，迫使許多企業(yè)不斷對(duì)生產(chǎn)方式進(jìn)行調(diào)整：從最初標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、大批量的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊⑿∨?、柔性化生產(chǎn)，不斷地細(xì)分市場(chǎng)。增材制造雖然不能完全替代減材制造、等材制造，但作為傳統(tǒng)制造技術(shù)的有益補(bǔ)充，3D打印將極大地推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

趨勢(shì)二：成型尺寸向兩邊延伸，大小產(chǎn)品顛覆想象

隨著3D打印應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，產(chǎn)品成型尺寸正走向兩個(gè)極端。小到珠寶飾品，大到家具建筑、汽車、航空均已廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的強(qiáng)度硬度、體積重量不斷地刷新了人們對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)，未來，3D打印的成型尺寸只有想不到，沒有做不到。

趨勢(shì)三：打印材料質(zhì)量趨升價(jià)趨降，混搭更精彩

打印材料的研發(fā)飛速發(fā)展，粉末狀、絲狀、液體狀的打印材料均有很大空間的發(fā)展，材料種類、形態(tài)將得到進(jìn)一步拓展，價(jià)格下降可期，精度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、安全性也更加有保障。例如金屬粉末不僅有不銹鋼、鋁合金、鈦合金還有金銀等貴金屬材料等。另外，人們對(duì)打印效果的期望也越來越高，早已不滿足于單一功能、單一材質(zhì)、單一色彩等：金屬、塑料、陶瓷、橡膠等多種材料通過打印技術(shù)的自由切換得到混合使用，色彩也可五彩繽紛。

趨勢(shì)四：打印聯(lián)手醫(yī)療行業(yè)，手術(shù)可排練、治療更精準(zhǔn)

針對(duì)3D打印技術(shù)個(gè)性化定制的特性與醫(yī)療行業(yè)的對(duì)癥下藥契合性堪稱科技與技術(shù)的結(jié)合。一方面醫(yī)生利用3D打印技術(shù)在手術(shù)前演練，可以更直觀地了解病例結(jié)構(gòu)，增加手術(shù)成功率;另一方面，3D生物打印，用人造血管、心臟、神經(jīng)、皮膚等來修復(fù)、替代和重建病損組織和器官。

趨勢(shì)五：發(fā)揮高校科研主力軍，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同長效合作

3D打印技術(shù)發(fā)端于高校，國內(nèi)除了清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高?？蒲泄歉闪α客?，杭州先臨三維、深圳光韻達(dá)光電科技、北京殷華、浙江迅實(shí)等實(shí)力公司積極地與高校合作，隨著我國科技體制機(jī)制改革的不斷推進(jìn)，走產(chǎn)學(xué)研協(xié)同之路，形成長效合作機(jī)制，成為我國推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)實(shí)選擇。

2 DLP技術(shù)的成型原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 DLP技術(shù)的成型原理

目前主流的幾種3D打印技術(shù)包括熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）、光固化成型技術(shù)（SLA）、數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、三維打印成型技術(shù)（3DP）、薄材疊層制造成型（LOM）和選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）。

DLP是數(shù)字光處理（Digital Light Processing）的縮寫，主要是通過投影儀來逐層固化光敏聚合物液體，從而創(chuàng)建出3D打印對(duì)象。

DLP打印設(shè)備由投影儀、樹脂液槽、打印平臺(tái)和樹脂組成。容納樹脂的液槽儲(chǔ)存可被特定波長的紫外光照射后固化的樹脂，液槽下面的成像系統(tǒng)通過投影儀通過能量計(jì)圖形控制，每次固化一定厚度及形狀的樹脂，然后液槽上方的提拉機(jī)構(gòu)將每一次界面曝光的固態(tài)樹脂提拉，就這樣一層一層曝光并提升來生成三維實(shí)體。

2.2 DLP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

DLP打印技術(shù)通過單個(gè)像素進(jìn)行成像，打印分辨率比較高，像素尺寸達(dá)到30微米的級(jí)別，與其他3D打印方法相比，打印成品的質(zhì)量較高，精度高，更為光滑。

DLP打印速度也有所加快，特別是對(duì)于體積較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的打印任務(wù)而言更是如此。因?yàn)榧す獯蛴C(jī)必須對(duì)所有打印對(duì)象進(jìn)行描繪，但這種新型打印機(jī)則可以一次性成型。基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)免去了逐層構(gòu)建的復(fù)雜操作，而是可以實(shí)現(xiàn)一次性成形，因而節(jié)省了很多時(shí)間，在打印較大實(shí)物時(shí)也不例外。換句話說，具備一次性成形的能力意味著，實(shí)物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)總體構(gòu)建時(shí)間并沒有絲毫的影響。

DLP打印技術(shù)的高精度、高表面質(zhì)量特性以及對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性、加工效率、加工成本的需求，使DLP打印技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用率很高，被廣泛地應(yīng)用在珠寶行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)以及教育行業(yè)。

3 DLP打印技術(shù)在產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

自2014年底起，浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)投入300萬專項(xiàng)建設(shè)經(jīng)費(fèi)建設(shè)3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室，將創(chuàng)新教學(xué)引入課堂，采用項(xiàng)目化教學(xué)、理實(shí)一體化教學(xué)模式，訓(xùn)練學(xué)生將3D打印知識(shí)與專業(yè)技能融合運(yùn)用，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程，訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維、創(chuàng)造性方法以及創(chuàng)新、創(chuàng)意能力。

3.1 掌握DLP打印工作流程，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)興趣

真實(shí)的3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)室內(nèi)，學(xué)生可以快速掌握基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)的工作流程：首先，通過CAD或RHINO設(shè)計(jì)出三維模型，存成STL.格式，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)照射形狀，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制光源和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng);其次，激光器根據(jù)切片形狀，發(fā)出相應(yīng)形狀的光斑，該層樹脂固化后，就完成了該片層的加工;然后，升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，在進(jìn)行第二層照射，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型;最后，將原型從樹脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

3.2 設(shè)計(jì)即生產(chǎn)，快速訓(xùn)練創(chuàng)造思維

產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)已經(jīng)與上海、杭州、紹興、寧波、上虞、溫州等地十余家設(shè)計(jì)公司建立了長久校外實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分發(fā)揮工學(xué)結(jié)合等方面的功能，學(xué)生課程項(xiàng)目很多來自于校企合作項(xiàng)目，學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，所謂設(shè)計(jì)即生產(chǎn)，直接達(dá)到校園到企業(yè)生產(chǎn)，學(xué)生通過企業(yè)工程師與校內(nèi)專業(yè)教師的指導(dǎo)，對(duì)產(chǎn)品形態(tài)的創(chuàng)作將更加揮灑自如，比傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、手板模型制作等流程高效。通過校內(nèi)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備行業(yè)企業(yè)培育人才發(fā)揮了重要作用。

3.3 形成3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)

在產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)方面，DLP技術(shù)比其他打印技術(shù)更快速、更省時(shí)、更有效地表達(dá)設(shè)計(jì)創(chuàng)意。以前產(chǎn)品研發(fā)到成型都需要一副幾十萬的模具且產(chǎn)品的市場(chǎng)是不可估計(jì)的，加上產(chǎn)品更新?lián)Q代也快，這些因素?zé)o疑都給企業(yè)帶來了很大的壓力，通過3D打印，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)到成型的周期，也節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的成本。

3.4 銀質(zhì)首飾案例分析

以學(xué)生課堂上的珠寶設(shè)計(jì)為例，經(jīng)過DLP機(jī)器的打印后，我們開始制作銀版首飾：首先需要對(duì)3D打印戒指支撐修正——焊接支撐——種蠟樹——把蠟樹放入鋼盅，用膠紙粘好——調(diào)樹脂粉抽真空——倒入鋼盅——抽真空——等待樹脂固化——去掉膠紙和整理樹脂膜——種蠟樹——把鋼盅放入650℃烤爐內(nèi)，升溫750℃烘烤5小時(shí)，最后降溫到650℃準(zhǔn)備吸塵，回烤爐650℃烤1小時(shí)即可澆鑄——倒適量銀粒放入熔爐升溫到1020℃即可澆鑄——把鋼盅放入鑄造機(jī)，邊抽真空到底后倒入銀水——倒?jié)M銀水稍后取出放置冷卻——冷卻稍后用鋼盅鉗夾入水中爆冷炸樹脂粉——沖洗完樹脂粉，取出銀件——把銀件放入氫氟酸浸泡五分鐘稍后取出用清水清晰，最后用剪鉗剪下戒指，修水口，執(zhí)模后放入拋光機(jī)拋光，最后一款銀質(zhì)珠寶就成品了。

通過對(duì)加濕器產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)典型案例的分析，詳細(xì)介紹DLP打印機(jī)的具體應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)光固化技術(shù)的熟悉和掌握，形成3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用。經(jīng)過詳細(xì)介紹DLP打印機(jī)的具體應(yīng)用，讓學(xué)生參與以上18個(gè)步驟的打印后處理，學(xué)生可以完整地參與到一款珠寶的制作過程，學(xué)生看到自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)在經(jīng)過DLP打印后處理到最終成品，大大鼓勵(lì)了學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)興趣，使學(xué)生對(duì)光固化技術(shù)的熟悉和掌握，形成3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力通過桌面DLP技術(shù)的3D打印機(jī)得到了充分地發(fā)揮，DLP技術(shù)在打印速度、設(shè)備體形、設(shè)備體重和價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)使其在教學(xué)方面發(fā)揮了更大的作用。

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