基于FDM工藝的3D打印技術(shù)在文創(chuàng)產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉 江 長(zhǎng)沙師范學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

在文化復(fù)興成為國(guó)家戰(zhàn)略的背景下，我國(guó)的文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。文化創(chuàng)意產(chǎn)品作為文化元素的重要載體，在傳統(tǒng)文化的傳承與傳播中發(fā)揮著重要作用。如何將傳統(tǒng)文化元素與現(xiàn)代設(shè)計(jì)相融合，以符合現(xiàn)代人的審美和實(shí)用需求，成為文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法也越來(lái)越多樣化。3D打印技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，有效地提升了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意性和可行性，可以縮短設(shè)計(jì)周期且降低研發(fā)成本，在產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

一、3D打印技術(shù)與FDM工藝

3D打印技術(shù)也稱為增材制造，是一種快速成型技術(shù)。3D打印的技術(shù)原理是把一個(gè)利用逆向工程三維掃描或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方法制作完成的三維數(shù)字模型，依據(jù)不同的3D打印工藝類型，經(jīng)過(guò)專門的切分軟件將建立的模型分散成一系列有序的二維單元，一般在Z軸方向上根據(jù)厚度及精度數(shù)據(jù)要求進(jìn)行分層，把三維數(shù)字模型切分成一系列的二維切片，然后根據(jù)每一層的輪廓數(shù)據(jù)信息，輸入需要的加工參數(shù)，生成加工程序代碼，最后經(jīng)由快速成型硬件系統(tǒng)將零件自動(dòng)打印成型，從而得到一個(gè)三維物理模型。依靠該技術(shù)可以快速制作相對(duì)復(fù)雜的實(shí)體模型，而且成型的過(guò)程中無(wú)須模具的輔助，因此3D打印與傳統(tǒng)的鑄造、注塑、機(jī)械加工等生產(chǎn)方式相比，更容易適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速迭代和造型變化，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling），簡(jiǎn)稱 FDM工藝，是3D打印技術(shù)的一種工藝類型。熔融沉積成型的工藝原理是利用熱熔性的絲狀材料在3D打印設(shè)備可編輯邏輯控制器的控制下逐層堆積成型，成型材料由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭組件，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)。加熱噴頭在控制系統(tǒng)指令（Gcode代碼）下沿著零件截面輪廓和內(nèi)部軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半流動(dòng)狀態(tài)的熱熔材料擠出，黏稠狀的成型材料涂覆在工作臺(tái)上并迅速冷卻固化后形成一層截面輪廓。當(dāng)下面一層成型后，噴頭按照代碼數(shù)據(jù)上升至特定高度，再繼續(xù)進(jìn)行下一層的涂覆，層層堆積后形成三維產(chǎn)品模型。

FDM工藝的硬件設(shè)備不需要采用激光，因此這種工藝設(shè)備的使用、維護(hù)比較便捷，加工成本較低。利用 PLA、ABS、PPSF、PC等高強(qiáng)度的材料成型的產(chǎn)品模型具有較高的精度和強(qiáng)度，能夠制造出功能性零件或產(chǎn)品，可以直接用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證的測(cè)試和評(píng)估等。鑒于該工藝技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

二、產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)

產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)創(chuàng)意產(chǎn)品化的重要途徑，也是設(shè)計(jì)方案可行性驗(yàn)證和完善的重要過(guò)程。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更加快捷、高效和多樣化的設(shè)計(jì)手段，使用計(jì)算機(jī)輔助手段來(lái)繪制各種設(shè)計(jì)方案圖紙和制作三維數(shù)字模型，并利用3D打印技術(shù)快速制作出產(chǎn)品模型，通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境來(lái)仿真演示出產(chǎn)品的使用場(chǎng)景，極大地方便了設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，提升了方案的可行性，也有效地提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

三、FDM工藝在文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用案例

1.博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

以彩繪狩獵紋漆樽圖形元素設(shè)計(jì)的香薰燈具為例，從湖南省博物館館藏文物彩繪狩獵紋漆樽上提取圖形元素（如圖1），將圖形元素進(jìn)行再設(shè)計(jì)（如圖2），并應(yīng)用于香薰產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計(jì)（如圖3），使用FDM工藝3D打印機(jī)進(jìn)行快速成型制作，材質(zhì)為PLA。

2.博物館文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

以透雕龍鳳紋重環(huán)玉佩圖形元素的燈具設(shè)計(jì)為例，從廣州西漢南越王博物館館藏文物透雕龍鳳紋重環(huán)玉佩上提取圖形元素（如圖4），應(yīng)用于燈具的外觀造型設(shè)計(jì)（如圖5），使用FDM工藝3D打印機(jī)進(jìn)行快速成型制作，材質(zhì)為PLA。

3.湖南地域文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)

以江永女書文化元素的燈具設(shè)計(jì)為例，從湖南江永女書文化中提取設(shè)計(jì)元素進(jìn)行圖形創(chuàng)意（如圖6），并應(yīng)用于燈具產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計(jì)（如圖7），使用FDM工藝3D打印機(jī)進(jìn)行快速成型制作，材質(zhì)為PLA。

（二）案例問(wèn)題分析及總結(jié)

在上述文創(chuàng)產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者利用計(jì)算機(jī)輔助手段結(jié)合FDM工藝3D打印技術(shù)制作模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和可行性分析，在設(shè)計(jì)考量中要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.三維數(shù)字模型的壁厚及尺寸

在產(chǎn)品三維數(shù)字模型創(chuàng)建中應(yīng)該注意產(chǎn)品造型的壁厚及尺寸。一般來(lái)說(shuō)，壁厚越大，產(chǎn)品零件的硬度和強(qiáng)度越高，產(chǎn)品模型的尺寸越大，所需最小壁厚也就越大。強(qiáng)度有特殊要求或者應(yīng)力部位結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋以增加零件強(qiáng)度。不建議一次性打印極限尺寸模型，因?yàn)镕DM工藝3D打印在打印尺寸過(guò)大、過(guò)薄的零件時(shí)容易產(chǎn)生翹曲。

2.三維數(shù)字模型的組合及拆分

在進(jìn)行三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)的時(shí)候，不同的設(shè)計(jì)者往往會(huì)使用不同的設(shè)計(jì)軟件，因此需要注意建模組合細(xì)節(jié)。常見(jiàn)的問(wèn)題點(diǎn)主要集中在三維數(shù)字模型組合的自動(dòng)交叉面、內(nèi)部交疊面、自交叉表面等位置，如果尺寸設(shè)置不合理或者交叉在一起則容易造成“破面”，會(huì)影響打印效果甚至無(wú)法切分制作G代碼。復(fù)雜的產(chǎn)品造型，在建模時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行合理拆分，并注意公差，F(xiàn)DM工藝3D打印的零件拼接件所需間隙一般為0.2mm~0.3mm，模型越大，所需拼接間隙也應(yīng)越大。

3.三維數(shù)字模型的造型細(xì)節(jié)

建模時(shí)，有些細(xì)節(jié)或者對(duì)象比較細(xì)微的裝飾件，如浮雕或鐫刻文字（如圖7），需要有足夠大的尺寸，否則無(wú)法在3D打印對(duì)象上還原。因此需要設(shè)計(jì)者熟悉3D打印機(jī)的打印精度，以及能夠制作的最小尺寸。優(yōu)化造型細(xì)節(jié)，參考45度法則以及減少FDM工藝中模型支撐支架的使用，可以讓模型的外觀更加光滑。另外，如果模型底部與打印平臺(tái)接觸面積較小，則容易在3D打印過(guò)程中造成模型倒塌，因此建議設(shè)計(jì)底座以確保能成功打印零件。

4.三維數(shù)字模型的文件導(dǎo)出格式

在3D打印模型文件的格式中，STL是最常見(jiàn)的文件格式。這種文件格式是以數(shù)字建模的三角面作為基礎(chǔ)，這也意味著三維數(shù)字模型也將被轉(zhuǎn)換成一個(gè)由三角面組成的模型，大多數(shù)的3D建模軟件都能夠輸出STL格式的文件。設(shè)置所需的分辨率對(duì)打印出一個(gè)高質(zhì)量的模型非常重要，分辨率過(guò)高和過(guò)低都容易造成3D打印中出現(xiàn)模型效果不佳的問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印這種數(shù)字快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而傳統(tǒng)生產(chǎn)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的融合，有力地促進(jìn)了設(shè)計(jì)行業(yè)的進(jìn)步。尤其是在制造工藝、材料與方法上的不斷改進(jìn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的前期方案設(shè)計(jì)不需要再受造型、結(jié)構(gòu)、模具等復(fù)雜因素的制約，可以有更多的時(shí)間和精力投入產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中，從而提升產(chǎn)品的藝術(shù)性和功能性。本案例根據(jù)3D打印技術(shù)制作文創(chuàng)產(chǎn)品創(chuàng)意造型實(shí)例，探索FDM工藝的3D打印技術(shù)在產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)文化創(chuàng)意產(chǎn)品的開發(fā)與人民生產(chǎn)生活的深度融合，為文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)化、效益化發(fā)展提供了技術(shù)支持，進(jìn)一步推進(jìn)了文化創(chuàng)意設(shè)計(jì)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。