3D打印技術(shù)在產(chǎn)品模型制作中的應(yīng)用研究

王二盟　吳晨　王鈞　李舉　王旭鵬

摘要：近年來高校的藝術(shù)類專業(yè)越來越多的建設(shè)了3D打印實驗室，確實3D打印設(shè)備可以快速、高效、準確的將學(xué)生的創(chuàng)意想法，變?yōu)楝F(xiàn)實中可以觸摸到的產(chǎn)品，實現(xiàn)“所想即所得”。學(xué)生也從這種“做中學(xué)”里得到了鍛煉，不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力，更激發(fā)了學(xué)生學(xué)習的主動性和創(chuàng)新精神。本文論述作者在高校藝術(shù)類3D打印實驗室教學(xué)實踐方面的經(jīng)驗，并進行總結(jié)梳理，希望能為高校的藝術(shù)類3D打印實驗室的建設(shè)及實踐應(yīng)用提供一些參考借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印;FDM;熔積成型

3D打印技術(shù)，由于其操作的便捷性，快速性，在高校藝術(shù)類專業(yè)教學(xué)實踐過程中被越來越多不同專業(yè)的學(xué)生作為模型由圖紙到實物的制作中最常用的方式。這種打印方式并不局限于工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計專業(yè);視覺傳達專業(yè)同學(xué)開始用3D打印制作包裝模型，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的同學(xué)開始用3D打印制作一些創(chuàng)新家具模型，動畫系學(xué)生開始用3D打印制作動畫人物形象，雕塑系學(xué)生開始用3D打印制作雕塑作品，服裝設(shè)計系學(xué)生開始用3D打印制作服裝及相關(guān)飾品。那么3D打印是什么、又包含哪些成型技術(shù)方式，筆者將逐一進行介紹。

一、3D打印的相關(guān)介紹及常見成型方式：

3D打?。河址Q為快速成型（Rapid Prototype簡稱RP）、快速制樣或?qū)嶓w自由形式制造，是一種由材料加法成型、逐層堆積出制件的制造方法。目前常見的3D打印技術(shù)成型方式有以下三種：

1.FDM（熔積成型）技術(shù)：3D打印機采用低熔點材料，一般多用PLA、ABS等材料，采用噴頭電加熱使得噴頭中原處于固體狀態(tài)的PLA或ABS等材料呈熔融狀態(tài)，然后由計算機控制打印機噴頭做XY軸方向工作，同時加壓使3D打印機噴頭中呈熔融狀態(tài)的材料被擠出，3D打印機噴頭根據(jù)電腦對三維模型切片數(shù)據(jù)路徑工作，將呈熔融狀態(tài)PLA或ABS等材料涂覆在底板上，構(gòu)成為模型的一個橫截面（層），然后噴頭上升，逐層加工，反復(fù)成型。

2.SLA（光固化）技術(shù)：將建立好的三維模型經(jīng)過電腦離散分層處理后的信息，按照模型設(shè)計掃描分層后數(shù)據(jù)得出工作路徑，3D打印機設(shè)備將紫外激光束投射到液態(tài)光敏樹脂材料表面，紫外激光束和光敏樹脂發(fā)生發(fā)應(yīng)，使原處于液態(tài)的光敏樹脂固化。從而生成零件的一個橫截面（層），然后3D打印機平臺下降一層，以此類推，逐層反復(fù)，最終成型。

3.SLS（粉末燒結(jié)成型）技術(shù)：將三維模型經(jīng)過電腦離散分層處理后的信息，按照設(shè)計掃描路徑，用3D打印機設(shè)備將激光束投射到燒結(jié)金屬粉末表面，金屬粉末顆粒因燒結(jié)而成為金屬面，也就是零件的一個橫截面（層），然后3D打印機平臺下降一層，以此類推，逐層反復(fù)，最終成型。

二、3D打印在實踐環(huán)節(jié)的打印技巧

由于SLA（光固化）技術(shù)的液體的成型材料不易儲存、加工流程相對復(fù)雜，SLS（金屬粉末燒結(jié)成型）技術(shù)的金屬3D打印設(shè)備成本高昂，所以，目前高校藝術(shù)類3D打印實驗室，基本的桌面級3D打印機大多都是基于FDM（熔積成型）技術(shù)的設(shè)備。相比較而言采用FDM技術(shù)的3D打印機采用的是PLA或ABS等加工材料，操作更加簡單、方便、且低成本。FDM技術(shù)類型的3D打印的原理決定了它的打印特性，掌握了這些特性才能更好的打印出理想的模型產(chǎn)品，主要包括以下幾點：

1.3D打印機調(diào)平，確保機器平臺與噴嘴距離較佳：如果出來的絲是呈鋸齒狀，說明平臺和噴嘴距離過大，絲是從噴嘴甩下來而不是剛好貼緊的，打印模型會出現(xiàn)模型的起翹或者位移現(xiàn)象，這時稍微順時針旋轉(zhuǎn)螺母，使平臺向上，直到現(xiàn)象消失，出現(xiàn)貼緊的線條為止。如果發(fā)現(xiàn)出絲過細或者出絲不連貫，說明噴嘴與平臺的距離過小，導(dǎo)致噴嘴出絲量過小。模型打印過程會出現(xiàn)材料堵塞噴頭現(xiàn)象。這時稍微逆時針旋轉(zhuǎn)螺母，使平臺向下，直到出絲量飽滿順暢為止。如果發(fā)現(xiàn)打印時，噴嘴跟平臺距離過大或者過小，請停止打印，重新調(diào)整平臺直到平臺 跟噴嘴距離合適為止。多數(shù)情況下的打印失敗都是由于平臺沒調(diào)好造成的，應(yīng)按照要求反復(fù)調(diào)試，確定平臺高度已調(diào)到較佳。并且在打印第一層的是時候，最好看著機器打印，確認機器打印正常后才離開。3D打印機平臺與噴嘴的最佳距離大概是一張紙的間隔。

2.選擇好的切片軟件：好的切片軟件是3D打印的核心，現(xiàn)在的切片軟件也非常多。目前使用比較廣泛且操作便捷的切片軟件有MakerBot Desktop、ideaMaker、Cura等。切片軟件的好壞，會直接影響到打印物品的質(zhì)量。簡單的說，切片軟件就是將3D模型轉(zhuǎn)化為機器可以識別的語言，所以切片軟件的選擇，就好比翻譯官的好壞，直接影響模型制作最終效果。

3.模型底部平坦：打印的時候，應(yīng)該選擇底部是平坦的一面，由于打印機是從底部開始逐層打印，所以底層決定了整個打印物體的質(zhì)量。所以，打印底層是最為重要的，選好一個平坦的底部作為底層打印是打印成功的關(guān)鍵。

4.模型避免懸空：由于打印的時候噴嘴擠出的絲是流體，在重力的作用下會往下垂，如果打印的圖形有懸空的地方，打印的絲就會往下垂。所以，打印的時候就需要使用軟件生成支撐，打印結(jié)束后再把支撐進行去除。類似于蓋房子的時候，由于混凝土是流體，會往下掉，所以，需要先打好木樁才能蓋房子，等混凝土凝固了再拆去木樁。跟建筑一樣，拆去木樁以后會留下木樁的痕跡，打印完畢以后也會留下支撐的一些痕跡，所以，如果想提高打印品質(zhì)，就需要盡量避開懸空的地方，具體是在3D打印所自帶的切片軟件中對三維模型的角度進行調(diào)整，避開懸空。

5.設(shè)好溫度，避免起翹：FDM技術(shù)類型的3D打印在模型制作環(huán)節(jié)，由于其技術(shù)本身屬于熔積成型，所以由于冬季、夏季溫差原因會造成模型成型過程溫度變化不均，導(dǎo)致液體的材料在成型過程中冬季較快凝固，而夏季則凝固較慢，最終造成模型的起翹現(xiàn)象，模型在地板黏貼不夠牢固，導(dǎo)致模型掉落移位，打印失敗。所以，對于開放式的桌面級3D打印盡量定制透明防護罩進行溫度控制。另外，對于PLA及ABS等材料的差異，PLA材易發(fā)生堵塞噴頭現(xiàn)象，ABS容易發(fā)生翹邊現(xiàn)象，所以，對于打印機底板及噴頭溫度的調(diào)節(jié)也有差異;不同季節(jié)，不同材料，對于打印機底板和噴頭的溫度也應(yīng)該相應(yīng)的調(diào)整。PLA推薦噴頭溫度設(shè)置為190-220℃，底板溫度設(shè)置為60-70℃;ABS噴頭溫度推薦設(shè)置為210-230℃，底板溫度設(shè)置為90-100℃最佳。

6.組裝匹配圖形公差：如果打印的物體是需要進行組裝的圖形，例如螺絲和螺母、齒輪的匹配這些圖形，由于 打印過程塑料的熱脹冷縮以及底層打印產(chǎn)生膨大的邊緣，所以需要把公差放大一點，一般公 差設(shè)置為 0.4mm，具體根據(jù)實際圖形進行設(shè)置。

7.大體積圖形的打?。喝绻蛴〉捏w積比較大，必須使用 PLA 耗材，ABS 耗材本身特性決定了它不適合用于大 體積的圖形，容易裂開和變形，所以體積大的圖形需要使用 PLA。 如果大體積的圖形打印過程還是容易翹邊，可以用點 502 膠水把圖形底部黏住，但是切 記不要讓 502 把噴嘴堵死。

隨著3D打印技術(shù)的普及，幼兒園、小學(xué)、初中、高中以及各種創(chuàng)客營也都在讓學(xué)生更早的接觸到這種新的產(chǎn)品加工技術(shù)。通過這種技術(shù)將各年齡段、不同知識層、不同的創(chuàng)意想法，變成現(xiàn)實。學(xué)生也從整個教學(xué)、制作的參與過程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，提升創(chuàng)新能力和動手能力。但是由于材料及設(shè)備成本問題，目前3D打印教學(xué)基本采用的是FDM技術(shù)大3D打印設(shè)備，教學(xué)過程種對于SLA（光固化）技術(shù)、SLS（粉末燒結(jié)成型）技術(shù)基本采用圖文或視頻進行展示，學(xué)生缺少了實際打印環(huán)節(jié)參與的過程和體會。相信科技的發(fā)展，3D打印設(shè)備及材料的不斷發(fā)展，設(shè)備成本及材料成本也會也會越來易被接受，我們3D打印的成型技術(shù)方式也會更加多元。

參考文獻

[1]楊繼全，鄭梅.3D 打印技術(shù)導(dǎo)論[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2016.

[2]侯高雁，朱紅，劉凱，等.3D打印成形件后處理工藝綜述[J].信息記錄材料，2017，18（07）：19-21.

[3]封會娟，閆旭，唐彥峰，等.3D 打印技術(shù)綜述[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（9）：202-203.

[4]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠程教育，2013，（08）：83-87.