基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)意水杯設(shè)計(jì)研究

趙志瑩 潘峰

摘 要：3D打印技術(shù)是一種全新的快速成型技術(shù)。由于3D打印技術(shù)具有較多優(yōu)勢(shì)，所以被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本文基于3D打印技術(shù)3D One建模軟件展開創(chuàng)意水杯的設(shè)計(jì)。利用3D打印機(jī)Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，對(duì)創(chuàng)意水杯名稱信息、水杯吸管、杯身刻度線進(jìn)行設(shè)計(jì)打印，并闡明3D打印技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：3D打印;3D One;創(chuàng)意水杯;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TS941.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0070-04

Abstract： 3D printing technology is a new rapid prototyping technology. Because 3D printing technology has many advantages， it is widely used in many fields. In this paper， the design of creative water cup was based on 3D One software platform. In addition， using 3D printer Einstart-S and PLA corn starch material， this paper designed and prints the name information of creative water cup， water cup straw and calibration line of cup body， and expounded the principle and implementation process of 3D printing technology.

Keywords：3D printing;3D One;creative water cup;design

科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，為生產(chǎn)制造業(yè)等行業(yè)的發(fā)展奠定了基石。19世紀(jì)末，美國(guó)最早提出3D打印概念。近幾年，3D打印開始盛行于中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟稱它為“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。如何在現(xiàn)有3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上培養(yǎng)人們的創(chuàng)新思維是當(dāng)今社會(huì)面臨的一大挑戰(zhàn)。三維立體打印技術(shù)的出現(xiàn)給人們提供了學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)、親手設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的機(jī)會(huì)以及了解社會(huì)發(fā)展的機(jī)會(huì)。

讓思想融入現(xiàn)實(shí)，讓創(chuàng)意融入市場(chǎng)，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，為我們的生活帶來(lái)便捷與舒適，作為本次創(chuàng)意設(shè)計(jì)的對(duì)象——水杯，通常是人們?nèi)粘９ぷ骱屯獬鰰r(shí)的攜帶品。本文利用目前較為流行的3D打印技術(shù)，基于3D One軟件平臺(tái)，對(duì)水杯名稱、吸管、刻度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用3D打印機(jī)Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，親手打印制作了獨(dú)一無(wú)二的創(chuàng)意水杯。

1 3D打印概述

3D打印是近30年來(lái)出現(xiàn)的一種全新的快速成型技術(shù)，就是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細(xì)胞組織等材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品[1]。這一技術(shù)被譽(yù)為新時(shí)代的工業(yè)革命。

3D打印技術(shù)在這30年的研發(fā)過程中取得了巨大的突破，能在一定程度上取代傳統(tǒng)加工工藝中的機(jī)械加工及開模制造等制造工序，同時(shí)能解決一些傳統(tǒng)工藝無(wú)法處理的技術(shù)難題，極大地縮減了加工時(shí)間和加工成本，是如今各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。

2 水杯創(chuàng)意概述

3D打印技術(shù)首先是利用動(dòng)畫建模軟件建模，然后將建成的模型切片，將每層截面的數(shù)據(jù)信息傳遞給3D打印機(jī)。在打印過程中，這些切片逐層附加，通過黏合劑黏合切片，最后制造出完整的固態(tài)物質(zhì)。3D打印技術(shù)材料成本低、生產(chǎn)周期短、易用，因而被廣泛用于各行各業(yè)。本文主要對(duì)創(chuàng)意水杯名稱信息、水杯吸管、杯身刻度線三部分進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

①創(chuàng)意水杯設(shè)計(jì)固定吸管。利用3D打印技術(shù)在水杯杯口位置設(shè)計(jì)固定吸管，在杯底內(nèi)壁留有進(jìn)水口，在杯頂沿留有喝水口或喝水管，取代了另加吸管的麻煩。

②創(chuàng)意水杯增加了杯身刻度線。通過3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)打印出刻度線，可度量杯子中水的容量，能夠隨時(shí)量取實(shí)時(shí)水量、剩余水量和喝掉的水量。

③創(chuàng)意水杯設(shè)計(jì)名稱信息。通過3D One軟件，設(shè)計(jì)出自己想用的名稱和名字，便于區(qū)分物主、制定用處或宣傳利用。

④熟悉創(chuàng)意水杯3D打印程序。3D打印技術(shù)原理，與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

3 3D打印原理及打印流程

3.1 3D打印原理

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)中的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式。在添加劑制造技術(shù)中，三維對(duì)象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來(lái)的。3D打印機(jī)就是可以“打印”出真實(shí)3D物體的一種設(shè)備，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)完全不同。稱之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。

3D 打印存在著許多不同的技術(shù)。這些技術(shù)的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用的材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍、石膏、鋁、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。使用這些材料不需要生產(chǎn)線就能加工出傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝無(wú)法加工的形狀復(fù)雜的零件。本文中用到的玉米淀粉也可以被拿來(lái)制作模具，人們生活中的許多可再生資源都可以被利用，這樣既不會(huì)污染環(huán)境，還有利于廢物的利用。

3.2 3D打印流程

3D打印機(jī)和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成，且打印原理也是一樣的。3D打印機(jī)主要是打印前在電腦上利用建模軟件，如3D one設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的三維立體模型，將立體模型數(shù)據(jù)生成STL文件格式，將立體模型分層切片，然后再進(jìn)行打印輸出。3D打印流程如圖1所示。

3.2.1 建模。3D建模就是通過三維制作軟件在虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。獲得3D模型主要有3種方法：直接從網(wǎng)上下載模型、通過3D掃描儀逆向工程建模、用建模軟件建模。如果需要進(jìn)行實(shí)物的真實(shí)還原，3D掃描儀是個(gè)不錯(cuò)的選擇，其通過獲取物體空間坐標(biāo)的3D采樣點(diǎn)和色彩信息生成模型，可以快速還原真實(shí)物體，但其缺點(diǎn)是操作復(fù)雜、價(jià)位昂貴。

3.2.2 切片處理。通過三維軟件建立的數(shù)據(jù)模型一般無(wú)法直接導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印，需要經(jīng)過切片軟件將模型切片并保存為相應(yīng)格式才能導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印操作。切片實(shí)際上就是把3D模型切成一片一片的，設(shè)計(jì)好打印的路徑（填充密度、角度、外殼等），并將切片后的文件儲(chǔ)存成一種3D打印機(jī)能直接讀取并使用的文件格式。一般切片厚度越薄，打印精度越高，不過層數(shù)越多，打印耗時(shí)也越長(zhǎng)。而首層固化時(shí)間和每層固化時(shí)間則由打印機(jī)的光強(qiáng)及材料的性能決定，固化時(shí)間越長(zhǎng)，則打印耗時(shí)越長(zhǎng)。然后，再通過3D打印機(jī)控制軟件，發(fā)送給打印機(jī)并控制3D打印機(jī)的參數(shù)，完成打印。

3.2.3 打印過程。啟動(dòng)3D打印機(jī)，通過數(shù)據(jù)線、SD卡等方式把STL格式的模型切片得到Gcode文件傳送給3D打印機(jī);同時(shí)，裝入3D打印材料，調(diào)試打印平臺(tái)，設(shè)定打印參數(shù)。打印機(jī)開始工作，材料會(huì)一層一層地打印出來(lái)，層與層之間通過特殊的膠水進(jìn)行黏合，并按照橫截面將圖案固定住，最后一層一層疊加，最終將整個(gè)模型打印固化出來(lái)。

3.2.4 后期處理。3D打印機(jī)完成工作后，取出物體，進(jìn)行后期處理。有時(shí)候3D打印出來(lái)的物品表面會(huì)比較粗糙（如利用SLS金屬打印的物體），打印出來(lái)的產(chǎn)品可能與期望值有偏差，這時(shí)可以采用3D打印專用筆刀進(jìn)行毛邊及毛刺的修正，然后再進(jìn)行拋光。拋光的辦法有物理拋光和化學(xué)拋光。除了3DP打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)彩色3D打印，其他的一般只可以打印單種顏色。有的時(shí)候需要對(duì)打印出來(lái)的物件進(jìn)行上色，如ABS塑料、光敏樹脂、尼龍、金屬等，不同材料需要使用不一樣的顏料。如需增大模型的強(qiáng)度和硬度，可把模型放入固化箱內(nèi)進(jìn)行二次固化，從而增強(qiáng)模型的強(qiáng)度和硬度，最終制作出所需要的模型。后期處理時(shí)需要小心謹(jǐn)慎，以免損壞產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4 創(chuàng)意水杯3D模型的建立及效果

4.1 建模軟件

3D One是一款專為中小學(xué)素質(zhì)教育開發(fā)打造的3D設(shè)計(jì)軟件，其致力于學(xué)生思維能力的提高，以促進(jìn)創(chuàng)新素質(zhì)教育的發(fā)展。因此，3D One具備簡(jiǎn)單易用的程序環(huán)境，支持專業(yè)級(jí)的涂鴉式平面草圖繪制，可進(jìn)行豐富實(shí)用的3D實(shí)體設(shè)計(jì)，提供多種多樣的顯示控制，還能通過內(nèi)嵌于軟件的社區(qū)網(wǎng)站，下載3D打印模型。該軟件界面簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、易于上手，整合了常用的實(shí)體造型和草圖繪制命令，簡(jiǎn)化了操作界面和工具欄，實(shí)現(xiàn)了3D設(shè)計(jì)和3D打印軟件的直接連接，并提供豐富的案例庫(kù)。3D One的主界面如圖2所示。

4.2 3D建模效果

通過3D One計(jì)算機(jī)建模軟件，利用圓柱、刻度、標(biāo)簽等功能設(shè)計(jì)杯身、杯底、吸管、名稱和刻度，設(shè)計(jì)出創(chuàng)意水杯模型。效果圖如圖3、4、5所示。

4.3 3D打印機(jī)Einstart-S

桌面型3D打印機(jī)Einstart-S（見圖6）區(qū)別于以往的體型巨大的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)。桌面型3D打印機(jī)如它的名字一樣，更為小型輕便，成本也更低，適合個(gè)人及個(gè)體商戶使用。桌面型3D打印機(jī)打印方式為熔絲沉積成型（FDM），打印平臺(tái)為亞克力磁吸平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多模型同平臺(tái)自動(dòng)布局，方便多模型同時(shí)打印。Einstart-S這款機(jī)器有獨(dú)創(chuàng)的“開機(jī)一鍵打印”功能，官方宣稱“10分鐘內(nèi)即可學(xué)會(huì)操作3D打印機(jī)”。使用該功能可以在短時(shí)間內(nèi)完成自己的第一個(gè)3D打印作品，輕松體驗(yàn)3D打印樂趣。此外，Einstart-S獨(dú)創(chuàng)開機(jī)一鍵打印、全金屬框架、穩(wěn)固耐用、原創(chuàng)軟件算法、打印精度0.15mm，經(jīng)得起考驗(yàn)。

4.4 實(shí)現(xiàn)效果

將STL數(shù)據(jù)生成為優(yōu)化的平面打印路徑，安置PLA植物材料，選定顏色，啟動(dòng)打印機(jī)，逐層地打印出來(lái)創(chuàng)意水杯實(shí)體（見圖7、8）。由此可見，玉米淀粉材料作為原材料制作的水杯，表面較光滑，實(shí)物比較堅(jiān)固，可以作為一種模具制作材料。

5 3D打印技術(shù)的影響

5.1 3D打印技術(shù)對(duì)產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的影響

3D打印制造模式的誕生意味著制造業(yè)向個(gè)性化制造模式發(fā)展，其突出優(yōu)勢(shì)在于低成本、高效率、制作物體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型必將隨著時(shí)代、科技和人文藝術(shù)的發(fā)展而更新。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與普及應(yīng)用，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式已不再束縛設(shè)計(jì)者的想象力。外觀再?gòu)?fù)雜的產(chǎn)品都能通過3D打印機(jī)打印出來(lái)，且渾然一體。設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)將呈現(xiàn)出多元化趨勢(shì)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、美學(xué)、環(huán)境、人機(jī)等要素中，美學(xué)要素越來(lái)越被重視。產(chǎn)品造型藝術(shù)化表現(xiàn)方式逐漸流行起來(lái)，人們對(duì)于造型的審美觀也將隨之發(fā)生改變。

5.2 3D打印技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的影響

3D打印技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的交流媒介。產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的平行化越來(lái)越受到重視，通過改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)流程等手段，并考慮產(chǎn)品生命周期各階段因素，對(duì)于后續(xù)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題，要在設(shè)計(jì)的早期階段就被發(fā)現(xiàn)并加以解決，最大程度地避免設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。在產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)條件下，產(chǎn)品開發(fā)過程的各環(huán)節(jié)、各要素在可能的情況下同時(shí)工作，協(xié)同運(yùn)行。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者往往只能借助較為抽象的2D平面圖紙作為可視化媒介來(lái)進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)討論;手工制作的概念草模在一定程度上能夠彌補(bǔ)平面媒介直觀性不強(qiáng)的不足，但在精度、質(zhì)感、觸感等方面與設(shè)計(jì)預(yù)期都存在較大偏差。而3D打印的應(yīng)用能夠?qū)⒕珳?zhǔn)的概念模型引入設(shè)計(jì)討論的時(shí)間大大提前，產(chǎn)品用戶都能夠直觀地看到和觸摸這些概念模型，比較它們之間的結(jié)構(gòu)、外形和功能的差別與優(yōu)劣，從而決定哪些產(chǎn)品概念值得繼續(xù)下去。3D打印制作的概念模型能夠明確反映出產(chǎn)品概念存在的問題，進(jìn)而修改設(shè)計(jì)，重復(fù)這個(gè)設(shè)計(jì)迭代過程，直到產(chǎn)品完善為止。

6 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)制造成本不高，且能夠生產(chǎn)出復(fù)雜多變的產(chǎn)品，可以按照客戶的需要進(jìn)行個(gè)性化定制，操作簡(jiǎn)單，零交付時(shí)間，減少庫(kù)存，用戶可自己購(gòu)買使用。3D打印技術(shù)種種不可替代的優(yōu)勢(shì)，會(huì)讓更多人愿意去嘗試。通過創(chuàng)意水杯設(shè)計(jì)與實(shí)物打印，首先了解創(chuàng)意水杯3D打印技術(shù)原理，熟悉了3D打印制作流程和打印程序，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到了日常生活中。其次，熟悉3D One建模軟件的功能和使用方法，以及操作步驟、格式保存等注意事項(xiàng)，體驗(yàn)了建模過程。讓人們充分了解了3D打印的流程，及如何利用軟件等工具真正為自己服務(wù)。正是3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使人們生活中出現(xiàn)的靈感創(chuàng)意可以實(shí)現(xiàn)。最后，學(xué)會(huì)了利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意水杯，真正感受到3D打印技術(shù)的魅力所在，受益匪淺。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋建宇.3D打印技術(shù)發(fā)展歷史與實(shí)現(xiàn)流程簡(jiǎn)介[EB/OL]（2016-04-09）[2019-02-01].https：//mp.weixin.qq.com/s？__biz=MzA4OTYzMzY5MA%3D%3D&idx=1&mid=403069217&sn=6eaae7a4bdfce7cf382eab3020d5368d.