3D打印技術(shù)在校園文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計制作中的應(yīng)用

成瀾

關(guān)鍵詞：3D 打??；文創(chuàng)；后期加工；Arduino

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）02-0093-04

近年來，文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不斷增速，成為新經(jīng)濟發(fā)展的中堅力量。文創(chuàng)即文化創(chuàng)意，以創(chuàng)意為紐帶將文化和產(chǎn)品相互加載，將審美和實用相互融入，碰撞出新銳的張力，實現(xiàn)消費者心理需求和使用需求的聚合[1]。在擺脫了文創(chuàng)產(chǎn)品的同質(zhì)化羈絆后，以故宮博物院為代表的新一波文創(chuàng)熱，將傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代設(shè)計理念深度融合，繼承內(nèi)涵，迎合審美，創(chuàng)新形式。

1 校園文創(chuàng)產(chǎn)品的現(xiàn)狀

校園文化是全社會文化的一個特殊部分，體現(xiàn)了學(xué)校在長期辦學(xué)過程中所堅持的辦學(xué)理念、傳承的人文精神和積淀的歷史底蘊，也是校園物質(zhì)文化與非物質(zhì)文化的共生浸潤。校園文創(chuàng)產(chǎn)品是校園文化傳播的很好載體，反過來同時也可以成為校園文化的精彩組成。

校園文創(chuàng)產(chǎn)品的發(fā)展，最早開始于歐美的高校，而且逐年積累和發(fā)展，其產(chǎn)品類型齊全，產(chǎn)品設(shè)計貼合流行趨勢，整個設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、營銷模式較為成熟，社會關(guān)注度高[2]。國內(nèi)的校園文創(chuàng)產(chǎn)品發(fā)展也是方興未艾，從早年的校徽、明信片、紀念封、記事本、書簽這些簡單的帶學(xué)校LOGO的文化用品，逐漸發(fā)展到集文具、紀念品、生活用品、食品、工藝品、運動器械在內(nèi)的眾多門類。但高校文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)還存在一些問題。

1.1 設(shè)計上避不掉同質(zhì)化的大坑

校園文創(chuàng)產(chǎn)品的種類雖然繁多，但同質(zhì)化現(xiàn)象還是非常普遍。文化衫、帆布袋這類產(chǎn)品以圖案設(shè)計為主，自然有環(huán)保有個性化的特點。但是另一類，比如比較實用的U盤產(chǎn)品，基本上都還是市場上現(xiàn)成U盤產(chǎn)品的定制，激光雕刻了校園LOGO等。這類產(chǎn)品的同質(zhì)化更嚴重，不一定是設(shè)計能力不足，通常應(yīng)該是市場需求量否定了創(chuàng)新設(shè)計批量化生產(chǎn)的需求。文創(chuàng)產(chǎn)品是文化的創(chuàng)造創(chuàng)新，是文化的沉淀激發(fā)，從追求不同開始，逐步追求更好。

1.2 內(nèi)涵上繞不開?；招＞暗目?/p>

校園文創(chuàng)產(chǎn)品上的校園文化印記，多見于?；?、校園代表性建筑物。簡單結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)計條條框框勢必導(dǎo)致創(chuàng)新性不足，審美疲勞。高校發(fā)展和地域經(jīng)濟發(fā)展兩者是相輔相成的，同理，高校文化也勢必與地域文化相互浸潤。高校文創(chuàng)產(chǎn)品除了在縱向深挖校園物質(zhì)精神文化的同時，橫向擴展與地域文化相結(jié)合，講好校園故事，弘揚地域文化，也是一個思路。

1.3 功能上站不上工業(yè)品的高度

校園文創(chuàng)產(chǎn)品的功能設(shè)計都比較單一，主要是缺乏新科技元素的賦能。一方面可能是成本的考慮，另一方面可能是長期銷售范圍局限導(dǎo)致的產(chǎn)品品牌意識不足，認為校園文創(chuàng)產(chǎn)品只是校園的附屬品，沒有站在產(chǎn)品創(chuàng)制的高度去規(guī)劃。所以往往也就是知名高校的文創(chuàng)產(chǎn)品還有一些收藏和饋贈需求[3]，其他的高校文創(chuàng)產(chǎn)品基本走不出校園，嚴重影響了文創(chuàng)產(chǎn)品作為校園文化傳播載體的重要社會價值。

1.4 營銷上學(xué)不會互聯(lián)網(wǎng)新玩法

線下和線上相結(jié)合的營銷手段已經(jīng)成為市場的習(xí)慣。調(diào)查了一下目前高校文創(chuàng)產(chǎn)品的營銷，發(fā)現(xiàn)還是以校園內(nèi)的線下小店為主，極少數(shù)高校用到了線上平臺。例如：清華大學(xué)的校園文創(chuàng)產(chǎn)品在微信平臺有名為“水木有禮”的公眾號以及“清華印象”的官方商城；南京大學(xué)為了120周年校慶也設(shè)計了校慶紀念文創(chuàng)產(chǎn)品，在微信平臺有兩個官方商城在銷售。線上銷售平臺的使用尚且寥寥，更不用說種類繁多的互聯(lián)網(wǎng)+營銷手段了，這一點與高校對新事物、新技術(shù)的接收能力定位不相匹配。

2 3D 打印技術(shù)融合STEAM 理念進行設(shè)計的優(yōu)勢

經(jīng)過前期對高校文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀的調(diào)研分析，基本可以歸納出三個階段的設(shè)計思路：

1）初階是融合了藝術(shù)性和實用性的紡織印染類工美產(chǎn)品[4]；

2）中階是兼顧造型藝術(shù)和巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)習(xí)辦公文具類產(chǎn)品；

3）高階則是賦能了智能交互技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計類產(chǎn)品；高校作為培養(yǎng)各領(lǐng)域高層次專業(yè)和技術(shù)人才的機構(gòu)，更應(yīng)在原有文創(chuàng)產(chǎn)品藝術(shù)性、實用性的基礎(chǔ)上，在特色創(chuàng)意和科技創(chuàng)新的方向上賦能增值。

STEAM的理念，非常適合高階校園文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計。STEAM的概念由來已久，所謂科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)是歸納了幾個籠統(tǒng)的大方向，其實就是多學(xué)科的整合，旨在提升思維創(chuàng)新能力和設(shè)計創(chuàng)造能力，加強認知能力和實踐能力。其中3D打印的融合，非常有利于產(chǎn)品的前期設(shè)計成型以及文創(chuàng)產(chǎn)品個性化定制方向的發(fā)展。

3D打印技術(shù)，業(yè)界更專業(yè)地稱為增材制造，是指利用金屬、非金屬、醫(yī)用生物等材料逐層堆積成形的原理，按照數(shù)字三維模型，制造出產(chǎn)品原型或零部件的數(shù)字化制造技術(shù)[5]。3D打印在有些方面優(yōu)勢明顯：

1） 3D打印技術(shù)能夠快速將數(shù)字概念設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物，相對開模成本低，也方便測試和修改。這一優(yōu)勢也適合學(xué)生廣泛參與校園文創(chuàng)產(chǎn)品的全民設(shè)計，及時為產(chǎn)品設(shè)計提供具象呈現(xiàn)。

2） 適合的材料和3D打印技術(shù)，能直接打印制造最終產(chǎn)品，設(shè)計即產(chǎn)品，創(chuàng)造無極限。如果未來能解決材料種類和成本問題，這一優(yōu)勢可以被用于支持校園文創(chuàng)產(chǎn)品的個性化定制，乃至延伸至更廣泛的產(chǎn)品個性化設(shè)計生產(chǎn)中。

3） 3D 打印可以突破復(fù)雜結(jié)構(gòu)和制造工藝的壁壘，設(shè)計靈感充分發(fā)揮，更適合創(chuàng)意創(chuàng)新類產(chǎn)品的設(shè)計制造。

所以，立足實用性，適當加入STEAM的藝術(shù)和科技元素，并運用3D打印技術(shù)打樣乃至制造，是校園文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計提升的一個很好途徑。

3 基于3D打印的IVT 校園文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計與打樣

3.1 設(shè)計建模

本產(chǎn)品是一個基于傳感器控制的桌面氛圍燈，IVT是學(xué)校蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的英文簡稱。創(chuàng)意設(shè)計來自比利時Filigranes書店的創(chuàng)意廣告，他們按照預(yù)先設(shè)計將書頁折角，書本半打開狀態(tài)時，眾多不同折角書頁就造型成了相應(yīng)的立體字母。

建模使用Rhinoceros作為建模工具，書頁部分和書殼分色打印，所以分開建模。書體部分建模如圖1所示，前半部分造型通過字母彎曲偏移實現(xiàn)。考慮到結(jié)構(gòu)體內(nèi)智能裝置安裝及使用維修方便，在書體與書殼連接側(cè)預(yù)留了孔洞，如圖2所示。

書殼部分建模如圖3所示，內(nèi)側(cè)簡單設(shè)計了伸出的L形結(jié)構(gòu)，用于連接書體部分打印件。

3.2 切片處理及打印

繪制出來的產(chǎn)品各個組件模型的STL文件，需要在切片軟件中處理。切片就是將建模的三維數(shù)據(jù)分割成二維數(shù)據(jù)，形象地說就是將三維模型水平切割成一層層薄片。對每個薄片層生成尺寸數(shù)據(jù)，3D打印其實就是逐層打印。在切片軟件中要考慮打印支架數(shù)量調(diào)整模型的方向，這會影響到打印后期處理的復(fù)雜度。如圖4所示為書殼部分的打印切片，此時就將模型倒置放置，因為突出的L型結(jié)構(gòu)需要打印支撐，正向放置支撐比較長，倒置打印的支撐短，耗材少也好清除。

本設(shè)計用市面上主流的Cura切片軟件。切片軟件中也需要根據(jù)打印機規(guī)格設(shè)置一些參數(shù)。本次所用的3D 打印機是Makesome 云智能高精度FDM 打印機。

1） 層高

需要根據(jù)打印機的噴嘴規(guī)格和打印精度要求設(shè)置，對于0.4噴嘴，層高設(shè)置經(jīng)驗值為0.1～0.2，對于0.6噴嘴，層高設(shè)置經(jīng)驗值為0.1～0.3。而越小的參數(shù)值對應(yīng)越精細的打印效果，當然也更耗時。

2） 壁厚

壁厚是打印面最外層殼的厚度，參數(shù)設(shè)置為打印機噴嘴的整數(shù)倍。本設(shè)計書殼厚度是3mm，書脊厚度5mm，打印機噴嘴0.4，設(shè)置壁厚0.8。打印機設(shè)計中所有需要鉆孔的位置都已經(jīng)在建模時就預(yù)留了，所以不必為此而再額外考慮增加厚度。

3） 底層/頂層厚度

這是打印成品最下和最上層的厚度，打完底層和頂層整個打印件結(jié)構(gòu)就封閉起來，看不到內(nèi)部填充，這個參數(shù)不能設(shè)置太小，否則打印太薄容易造成塌陷。

4） 填充密度

書殼厚度3mm，打印壁厚0.8，則里外兩層壁之間還有1.4mm的空隙就需要填充。填充參數(shù)范圍0～100，數(shù)值越大填充密度越大，結(jié)構(gòu)強度就越好，一般產(chǎn)品設(shè)置20就夠了。

5） 打印速度

噴頭移動的速度，過快電機容易失步從而導(dǎo)致錯層，過慢則浪費時間，經(jīng)驗值65mm/s。

6） 噴頭溫度

打印耗材PLA在170度開始熔融，但是這個溫度下黏度比較大，很難擠動，所以一般經(jīng)驗把溫度參數(shù)設(shè)成195度左右，特別是打印速度快，層厚比較大時，應(yīng)把溫度設(shè)置高一點。當然使用不同耗材，噴頭溫度肯定也不同。

7） 支撐設(shè)置

當打印模型有懸空結(jié)構(gòu)時，比如書殼中的L型凸起結(jié)構(gòu)，通常就需要軟件自動增加支撐，我們通過支撐類型、支撐角度、支撐密度等來設(shè)置支撐添加的位置、數(shù)量和強度，兼顧有效支撐和方便剝離。

3.3 后期處理

打印完成后首先是取件，之后剝離底板和支架，之后就是打磨清洗，如果有需要再做噴漆上色工藝，簡略流程如圖5所示。

FDM的不足之一是表面粗糙有橫紋，這個在打磨環(huán)節(jié)可以從80目開始用砂紙水磨，逐漸換用更高目數(shù)的砂紙。理論上可以越磨越光滑，但實際操作下來，可能還受打印機和耗材質(zhì)量的影響，一打磨反倒出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，以及砂紙的細砂顆粒嵌入橫紋縫隙的情況。FDM打印件如果非要打磨上色，可以考慮原子灰補土、噴罐水補土，填補坑洞和縫隙，同時用作模型上色底色，增加漆面附著力。

大面積的上色用噴筆比較均勻，復(fù)雜細節(jié)處上色只能用筆涂，以#字形來回涂刷兩三遍以達到上色均勻飽滿、減淡筆紋。

3.4 智能加載

硬件控制系統(tǒng)主要包括核心主控系統(tǒng)和外接擴展系統(tǒng)，如圖6所示。核心主控系統(tǒng)采用以ArduinoUNO為核心的微控制系統(tǒng)。Arduino UNO是一款基于ATmega328P的開發(fā)板，可通過USB外接供電。外接擴展系統(tǒng)主要包括光線傳感器、LD3320語音識別模塊、LED燈模塊。

光線強度作為總控，只有光線暗度和識別預(yù)設(shè)語音指令同時滿足才會點亮LED燈。語音識別出關(guān)燈指令，或者未有語音指令但光線強度大于閾值，同樣都關(guān)閉LED燈，此設(shè)計是出于節(jié)能考慮，防止早上出門時忘記關(guān)燈。

4 結(jié)束語

校園文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計，不是單純的校園文化的輸出，也不是表面的產(chǎn)品創(chuàng)制，更是學(xué)校學(xué)科水平及創(chuàng)新能力在人才培養(yǎng)領(lǐng)域綜合實踐和成果展示的平臺。3D打印技術(shù)融合STEAM教育理念，為師生在文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計和制作中展現(xiàn)才情、體現(xiàn)文化價值提供了無限的可能。本文提供的實例，來源于師生真實的實踐，可以為高?；蛑行W(xué)的STEAM教育提供借鑒。