3D打印技術在產品模型制作中的應用研究

王二盟　吳晨　王鈞　李舉　王旭鵬

摘要：近年來高校的藝術類專業越來越多的建設了3D打印實驗室，確實3D打印設備可以快速、高效、準確的將學生的創意想法，變為現實中可以觸摸到的產品，實現“所想即所得”。學生也從這種“做中學”里得到了鍛煉，不僅鍛煉了學生的動手能力，更激發了學生學習的主動性和創新精神。本文論述作者在高校藝術類3D打印實驗室教學實踐方面的經驗，并進行總結梳理，希望能為高校的藝術類3D打印實驗室的建設及實踐應用提供一些參考借鑒。

關鍵詞：3D打印;FDM;熔積成型

3D打印技術，由于其操作的便捷性，快速性，在高校藝術類專業教學實踐過程中被越來越多不同專業的學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設計、產品設計專業;視覺傳達專業同學開始用3D打印制作包裝模型，環境藝術設計的同學開始用3D打印制作一些創新家具模型，動畫系學生開始用3D打印制作動畫人物形象，雕塑系學生開始用3D打印制作雕塑作品，服裝設計系學生開始用3D打印制作服裝及相關飾品。那么3D打印是什么、又包含哪些成型技術方式，筆者將逐一進行介紹。

一、3D打印的相關介紹及常見成型方式：

3D打?。河址Q為快速成型（Rapid Prototype簡稱RP）、快速制樣或實體自由形式制造，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打印技術成型方式有以下三種：

1.FDM（熔積成型）技術：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的PLA或ABS等材料呈熔融狀態，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的材料被擠出，3D打印機噴頭根據電腦對三維模型切片數據路徑工作，將呈熔融狀態PLA或ABS等材料涂覆在底板上，構成為模型的一個橫截面（層），然后噴頭上升，逐層加工，反復成型。

2.SLA（光固化）技術：將建立好的三維模型經過電腦離散分層處理后的信息，按照模型設計掃描分層后數據得出工作路徑，3D打印機設備將紫外激光束投射到液態光敏樹脂材料表面，紫外激光束和光敏樹脂發生發應，使原處于液態的光敏樹脂固化。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，最終成型。

3.SLS（粉末燒結成型）技術：將三維模型經過電腦離散分層處理后的信息，按照設計掃描路徑，用3D打印機設備將激光束投射到燒結金屬粉末表面，金屬粉末顆粒因燒結而成為金屬面，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，最終成型。

二、3D打印在實踐環節的打印技巧

由于SLA（光固化）技術的液體的成型材料不易儲存、加工流程相對復雜，SLS（金屬粉末燒結成型）技術的金屬3D打印設備成本高昂，所以，目前高校藝術類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）技術的設備。相比較而言采用FDM技術的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品，主要包括以下幾點：

1.3D打印機調平，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，打印模型會出現模型的起翹或者位移現象，這時稍微順時針旋轉螺母，使平臺向上，直到現象消失，出現貼緊的線條為止。如果發現出絲過細或者出絲不連貫，說明噴嘴與平臺的距離過小，導致噴嘴出絲量過小。模型打印過程會出現材料堵塞噴頭現象。這時稍微逆時針旋轉螺母，使平臺向下，直到出絲量飽滿順暢為止。如果發現打印時，噴嘴跟平臺距離過大或者過小，請停止打印，重新調整平臺直到平臺 跟噴嘴距離合適為止。多數情況下的打印失敗都是由于平臺沒調好造成的，應按照要求反復調試，確定平臺高度已調到較佳。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量。簡單的說，切片軟件就是將3D模型轉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，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整，避開懸空。

5.設好溫度，避免起翹：FDM技術類型的3D打印在模型制作環節，由于其技術本身屬于熔積成型，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象，模型在地板黏貼不夠牢固，導致模型掉落移位，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材易發生堵塞噴頭現象，ABS容易發生翹邊現象，所以，對于打印機底板及噴頭溫度的調節也有差異;不同季節，不同材料，對于打印機底板和噴頭的溫度也應該相應的調整。PLA推薦噴頭溫度設置為190-220℃，底板溫度設置為60-70℃;ABS噴頭溫度推薦設置為210-230℃，底板溫度設置為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生膨大的邊緣，所以需要把公差放大一點，一般公 差設置為 0.4mm，具體根據實際圖形進行設置。

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

參考文獻

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