熔融沉積3D打印工藝在花瓶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

■劉夢(mèng)夢(mèng)，朱曉冬，陶毓博，姚 凱，白 鷺 Liu Mengmeng & Zhu Xiaodong & Tao Yubo & Yao Kai & Bai Lu

(1.2.5東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；3.齊魯工業(yè)大學(xué)生物基材料與綠色造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250353；4.哈爾濱理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080）

隨著家居裝飾藝術(shù)日新月異的發(fā)展，家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)愈發(fā)占據(jù)主導(dǎo)位置，尤其是家居擺件的不斷推陳出新讓裝飾的細(xì)節(jié)體現(xiàn)得淋漓盡致?；ㄆ渴求w現(xiàn)家居設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，烘托裝飾氛圍、提升生活格調(diào)的裝飾品之一。3D打印技術(shù)的不斷普及，為花瓶的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 傳統(tǒng)的花瓶設(shè)計(jì)研究

1.1 制造流程及工藝

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的花瓶開發(fā)及應(yīng)用形成了一整套成熟的流程：市場(chǎng)調(diào)研、前期計(jì)劃、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、打樣驗(yàn)證、修改完善、工藝準(zhǔn)備、批量投產(chǎn)[1]。這樣復(fù)雜循環(huán)的生產(chǎn)過程成本相對(duì)較高，也需要多方位的配合才能達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果?；ㄆ康脑O(shè)計(jì)內(nèi)容包括：①材料：玻璃、陶瓷、金屬、木質(zhì)、塑料；②造型：圓形、方形與多邊形瓶。制造工藝則根據(jù)不同的材料與造型方式而大相徑庭，大多數(shù)花瓶加工方式都要經(jīng)歷運(yùn)用切削、模塑、鑄造等其他復(fù)雜數(shù)控工藝來(lái)制造這些部件，這種制造方式不但成本較高，而且對(duì)于極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與造型，這些工藝恐難勝任[2]。

1.2 問題分析

傳統(tǒng)的花瓶設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制作出來(lái)面臨的問題：①制造工藝復(fù)雜，耗時(shí)耗工，單件產(chǎn)品機(jī)械生產(chǎn)制造時(shí)，成本較高，材料浪費(fèi)相對(duì)嚴(yán)重；②無(wú)法滿足客戶對(duì)于產(chǎn)品的私人訂制要求，尤其是對(duì)于造型方面的要求，個(gè)性化水平低。③束縛設(shè)計(jì)師對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)豐富的想象力，無(wú)法將發(fā)散性設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)踐表現(xiàn)。

與傳統(tǒng)的制造工藝相比較，3D打印技術(shù)有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠輕易解決傳統(tǒng)方式難以制造復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)及外觀形態(tài)的問題；制作過程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)與打印一體化，不需要額外的拼接及組裝，節(jié)約了生產(chǎn)成本[3]。

2 3D打印在花瓶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 FDM 3D打 印技術(shù)及工作原理

FDM（Fused Deposition Modeling）是一種常用的3D打印方法，也被稱為熔融沉積成型。由于桌面級(jí)FDM打印設(shè)備輕便、價(jià)格相對(duì)低廉、使用及維護(hù)簡(jiǎn)便，在市場(chǎng)上引起強(qiáng)烈反響[4-5],其成型工藝如圖1所示。其工作原理是絲狀線材通過傳送裝置不斷送到噴頭處，在噴頭內(nèi)經(jīng)過加熱融化，從噴嘴處擠出后粘結(jié)到工作臺(tái)面(熱床)，在計(jì)算機(jī)及切片工具提前預(yù)設(shè)好的參數(shù)控制下進(jìn)行相關(guān)路徑打印，材料瞬時(shí)凝固形成有輪廓形狀的薄層，層層疊加直至形成整個(gè)三維實(shí)體的造型[6-8]。

2.2 3D打印設(shè)備及材料

本研究用到的打印設(shè)備為DIY極光爾沃Z-605s桌面級(jí)FDM3D打印機(jī)。打印材料是聚乳酸（PLA）線材，直徑為1.75mm，顏色為白色，為深圳市艾森迪科科技有限公司所購(gòu)買，型號(hào)為L(zhǎng)X175。

2.3 花瓶模型的設(shè)計(jì)與打印

2.3.1 花瓶模型的設(shè)計(jì)

前期用的建模工具為犀牛軟件（Rhino）,打開軟件過后設(shè)置并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，之后建立三維數(shù)據(jù)模型，如圖2-圖4所示。

2.3.2 花瓶模型的打印

把建立完成的三維模型導(dǎo)出保存成STL（Stereo lithography）格式文件，在Cura切片軟件工具中進(jìn)行模型的分層處理，生成打印路徑參數(shù),導(dǎo)出可被FDM打印機(jī)識(shí)別的G-code文件格式，本實(shí)驗(yàn)用的是Cura15.04.6版本，如圖5-圖7所示。

在Cura軟件中要對(duì)打印速度、打印溫度、移動(dòng)速度、填充密度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改，打印設(shè)置為速度30mm/s，打印溫度為200℃，熱床溫度為50℃，移動(dòng)速度為50mm/s。以打印的三組模型為例，圖5的打印比例為1:1.25，點(diǎn)擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數(shù)值改為0.8，那么該花瓶模型的打印尺寸為29.75mm×29.61mm×41.6mm；圖6的打印比例為1:2，點(diǎn)擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數(shù)值改為0.5，那么該花瓶模型的打印尺寸為27.73mm×26.98mm×55.53mm；圖7的打印比例為1：2，點(diǎn)擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數(shù)值改為0.5，那么該花瓶模型的打印尺寸為30.55mm×30.21mm×55mm。

經(jīng)過FDM 3D打印機(jī)不斷進(jìn)行層層疊加，最終打印出的模型如圖8-圖10所示。

2.4 后期處理

FDM打印是基于材料堆積累加的工藝，受切片設(shè)置參數(shù)和機(jī)器自身打印精度的影響，不免會(huì)出現(xiàn)疊加的層紋導(dǎo)致表面粗糙的情況，通過各種物理打磨、化學(xué)拋光等后期處理工藝可以得到光滑的表面[9]。后期處理過程如圖11所示。

具體操作包括：①拆除花瓶底座支撐，可以用壁紙刀或者紙工刀切開；去除花瓶模型上的支撐殘留和毛刺，用剪鉗精細(xì)剔除。如圖12所示。

■圖1 FDM成型工藝過程

■圖2 渦輪花瓶

■圖3 多面體花瓶

■圖4 方口曲形花瓶

■圖5 渦輪花瓶

■圖6 多面體花瓶

■圖7 方口曲形花瓶

■圖8 渦輪花瓶

■圖9 多面體花瓶

■圖10 方口曲形花瓶

②拼合粘結(jié)，有些模型因?yàn)榇蛴∵^程或者拆除過程中導(dǎo)致部件損壞，需要對(duì)其進(jìn)行粘結(jié)。在粘結(jié)前需要對(duì)兩部分進(jìn)行修剪與打磨使其變得干凈，避免誤差。本實(shí)驗(yàn)用到的膠水是德國(guó)的UHU強(qiáng)力膠水，比較適合3D打印模型的拼接。圖13所示為花瓶頸部的粘結(jié)。

③對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)土，花瓶頸部粘結(jié)完畢后，接著要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)土，本實(shí)驗(yàn)用到的補(bǔ)土膏材料是原子灰（特點(diǎn)：細(xì)膩、附著力強(qiáng)，凝固后硬度大，氣味較刺激）。先用LT-1102M高達(dá)模型補(bǔ)色筆先對(duì)其進(jìn)行前期的補(bǔ)土填縫，然后再用牙簽、雕刻刀剔除多余的土，最后用細(xì)砂紙和電磨機(jī)進(jìn)行打磨。圖14所示為花瓶模型補(bǔ)土。

④對(duì)花瓶模型進(jìn)行拋光處理，要想使模型表面的紋路及內(nèi)部空間變得更加光滑，就要用到拋光液（亞克力粘合劑，也叫有機(jī)玻璃膠水），主要成分是三氯甲烷混合溶劑。本實(shí)驗(yàn)用的是騰鑄三維PLA拋光液,將花瓶模型放在裝滿拋光液的瓶子里浸泡10～15秒，或者直接澆淋在模型上，之后將其放在外面晾干15分鐘左右。圖15所示為拋光液處理模型經(jīng)過拋光液處理后的花瓶模型效果（如圖16-18）。

⑤自噴漆上色，模型經(jīng)過打磨補(bǔ)土、表面拋光之后，需要的話就對(duì)模型進(jìn)行上色處理。本實(shí)驗(yàn)用到的是三和（SANO）手搖自動(dòng)噴漆，噴漆之前對(duì)模型進(jìn)行打磨處理，使用之前先晃動(dòng)罐體約30秒至漆混合均勻，然后每隔3分鐘噴上薄薄一層，循環(huán)至2-3次即可。圖19所示為進(jìn)行噴漆處理。

2.5 花瓶模型3D打印技術(shù)要點(diǎn)分析

在花瓶模型的整個(gè)完成過程中，打印的參數(shù)設(shè)置及打印機(jī)的調(diào)試非常重要，Cura中STL模型參數(shù)的調(diào)整以致生成的G代碼文件，對(duì)最終3D打印的模型質(zhì)量與精度起著決定性的影響作用。

①在模型導(dǎo)入Cura切片軟件后，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)比例的調(diào)整（Scale：X、Y、Z軸），選擇需要的模型打印尺寸與比例要求,因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)打印了三個(gè)不同造型的花瓶模型,為了統(tǒng)一相似的尺寸,就調(diào)整了相對(duì)應(yīng)的比例,最后打印出的模型大小也接近一致。如果按照模型設(shè)置的原始比例和尺寸打印，也可能出現(xiàn)最后打印不完整，就會(huì)消耗大量材料與時(shí)間，這是不必要的浪費(fèi)；而如果選擇打印比例尺寸過小的話，可能最終影響模型表面精度及整體質(zhì)量。另外值得注意的是，模型在切片軟件中擺放的位置與角度的不同（Rotate：水平及立體翻轉(zhuǎn)），這種可以在Cura中預(yù)覽觀察，產(chǎn)生分層效果也是大相徑庭的。

②根據(jù)模型打印的精度要求和打印機(jī)自身性能的差異，合理設(shè)置所需的打印參數(shù)。不同的3D打印機(jī)，各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整也不一樣。為了追求更好的打印效果，本次打印設(shè)置為速度30mm/s，打印溫度為200℃，熱床溫度為50℃，移動(dòng)速度為80mm/s。如果需要打印較為精細(xì)且質(zhì)量較高的模型，一般需調(diào)整打印速度、打印溫度、移動(dòng)速度、填充密度等四個(gè)參數(shù)：①打印速度：若打印速度遠(yuǎn)快于擠出速度，則會(huì)出現(xiàn)材料填充及出料不足，導(dǎo)致打印不連續(xù)、斷絲等情況發(fā)生；反之則會(huì)使熔絲堆積在噴頭上，導(dǎo)致材料分布不均以及噴頭堵塞。②移動(dòng)速度：即非打印過程中噴頭移動(dòng)速度，成型過程中噴頭不出絲單獨(dú)移動(dòng)至某一點(diǎn)的過程,一般默認(rèn)為80mm/s，不超過150mm/s，如果設(shè)置過快的話，就會(huì)因?yàn)殂暯硬粶?zhǔn)而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。③對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型懸空的模型，通常需要添加支撐結(jié)構(gòu)；有的模型本身相對(duì)復(fù)雜，但上下寬度相同，或者下大上小，是不要添加支撐的。支撐添加方式分為自動(dòng)添加和手動(dòng)添加，大部分模型添加支撐時(shí)都采用自動(dòng)添加，特定的模型需要手動(dòng)設(shè)置添加[10]。④打印開始前要對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平，以保證模型能較好地附著在打印床上[11-12]。

■圖11 后期處理過程

■圖12 模型支撐與毛刺去除

■圖13 花瓶頸部粘結(jié)

■圖14 花瓶模型補(bǔ)土

■圖15 拋光液處理模型

■圖16 渦輪花瓶處理后

■圖17 多面體花瓶處理后

■圖18 方口曲形花瓶處

■圖19 模型噴漆處理

■圖20 噴頭移動(dòng)速度圖

2.6 熔融沉積3D打印工藝在花瓶設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)分析

2.6.1 個(gè)性化定制水平較高

FDM打印技術(shù)能將個(gè)人關(guān)于花瓶造型的設(shè)計(jì)想法迅速、直接轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維不再受到生產(chǎn)制造設(shè)備及工具的禁錮，即使是復(fù)雜的造型與結(jié)構(gòu)也能輕松駕馭，柔性化、定制化特點(diǎn)突出[13-14]。

2.6.2 節(jié)省材料，節(jié)約生產(chǎn)研發(fā)成本

①PLA作為一種綠色材料能夠循環(huán)得到利用，提高了材料的利用率；單純的塑料材料其廢棄材料無(wú)法再循環(huán)，勢(shì)必會(huì)增加材料使用成本[15-16]。②可用于定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作，也可以用于批量生產(chǎn)花瓶產(chǎn)品的研發(fā)階段。同時(shí)能夠做到較高的精度且不用剔除過多的邊角料，只需將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維圖形通過FDM 3D打印機(jī)生成花瓶實(shí)物[17-18]。

2.7 結(jié)果與分析

熔融沉積3D打印因?yàn)樘畛涿芏取⒋蛴【葏?shù)設(shè)置的問題，打印出來(lái)的模型相對(duì)不是特別精美，需要后期對(duì)其表面、內(nèi)部進(jìn)行處理如打磨、補(bǔ)土、拋光、上色修飾等，改善其表面、內(nèi)部質(zhì)量及光潔度。優(yōu)化工藝參數(shù)，選擇合適的后期處理技術(shù)，才能更好地提高成型件的質(zhì)量和精度。

3 結(jié)語(yǔ)

熔融沉積3D打印工藝在花瓶設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)制造技術(shù)所不能相比的，當(dāng)然我們也不能忽略其不足，同時(shí)也不可能完全替代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，在大批量制造方面，高效低成本的傳統(tǒng)減材制造工藝更勝一籌。但不能忽視的是，3D打印技術(shù)因其打印便捷、材料環(huán)保、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用愈發(fā)成熟及廣泛。同時(shí)我們也要意識(shí)到距離3D打印技術(shù)在市場(chǎng)上的全面普及仍有很長(zhǎng)的一段路要走。