3D打印技術在河套學院代表建筑圖書館的浮雕模型制作

賈冬義 王志林

摘要：3D打印技術歷經五十多年的發展，技術不斷成熟，其中對桌面級打印機使用成型技術如FDM、SLS、SLA、3DP等進行對比其優缺點，篩選出合適的教學3D桌面級打印技術。利用3D打印的快速成型技術，在材料選擇上對比PLA、ABS、TPU適合學校使用的耗材，結合聲、光、電等綜合技術，通過制作所在學校代表性建筑的浮雕模型來展示3D打印技術的優勢和作品的獨特性。作品具備個性化定制，兼具成本控制、設計無局限等優點，在校園文化和校園紀念品開發方面具有良好優勢。

關鍵詞：3D;模型制作;短周期設計

3D打印技術歷經五十多年的發展，技術不斷成熟，其中桌面級3D打印技術迭代速度較快，越來越多的領域也開始嘗試應用3D打印技術。3D打印技術的突出優勢是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機建模生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期[1]。3D打印技術和校園紀念品設計結合，是基于對3D打印技術成本控制、設計無局限、個性化定制和分布式生產特點基礎上的再次運用，從而解決校園紀念品設計單一、創新性差的問題[2]。河套學院機電工程系充分發揮3D技術優勢，創新作品來展現工業設計魅力[3]。

1 3D打印技術現狀

3D打印技術是現代激光技術、CAD/CAM 技術、計算機數字技術、新材料技術、材料科學技術等的集成發展。現今廣泛用于工業生產的3D打印技術主要有熔融沉積型（Fused Deposition Molding——FDM）、激光燒結型（Selective Laser Sintering ——SLS）、光固化成型（Stereo lithography Apparatus——SLA）和三維打印成型（Three Dimensional Printing and Gluing——3DP）。3D打印機可以用各種原料打印三維模型，使用3D輔助設計軟件，工程師設計出一個模型或原型之后，在工作臺上利用上述方式的一種或幾種進行成型。本文利用第一種方式成型，其打印流程見圖1。

FDM翻譯為“熔融沉積制造技術”有近三十年的歷史，FDM工藝是為制造業企業新產品開發服務的一項關鍵技術，對促進企業產品創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力具有積極的推動作用，該技術是目前使用廣泛的3D打印工藝，它采用自下而上逐層構建零件，打印的零件具有良好的耐屈撓抗蠕變性能、耐熱性。FDM主要使用三種材料：PLA（PolyLactic Acid聚乳酸）和ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三種單體的三元共聚物），還有TPU/TPE（Thermo Plastic Urethane/Thermo Plastic Elastomer）柔性材料，ABS對打印要求比較高，它的熔點溫度比PLA更高，一般容易翹曲和收縮。聚氨酯TPU比較軟，可以制造伸展性特別好的物體，打印時難度較高。常用的就是PLA耗材，它是一種可生物降解的熱塑性塑料，來源于可再生資源，比如玉米、甜菜、木薯和甘蔗，所以用這種材料更加環保，相對安全，不會產生難聞有毒氣味，是比較理想的通用材料。一般打印技術以PLA為材料，選擇打印層高、打印速度、噴頭溫度等參數作為研究因素[4]。

2 3D建模與作品展示

計算機建模是3D打印的前提，同時直接決定3D打印模型的質量，使用原圖見圖2，采用郭慶老師的河套學院圖書館的照片為藍本，使用FlashPrint軟件切片。圖片使用的原則顏色對比強烈、光影柔和，這樣有利于在二維（2D）影像的基礎上制作三維（3D）影像。

該作品的思路是把圖書館的平面照片通過建模、經3D打印為浮雕式立體圖，以筆筒造型展現。圖書館前的廣場的蒙古元素首先展現在觀賞者眼前，外形整體是圓柱，該作品需要放在底部帶光的旋轉支架上，見圖4（旋轉的圓形筆筒可以使觀察者看到全貌），內壁使用三色USB供電的貼片LED 5V調光調色開關燈，見圖5。電腦主板通過USB電源驅動提供給USB口小于500mA電流、5V恒定電壓，展示的實驗室、筆記本較為容易提供此類電源;使用LED冷光源，避免3D材質被烤軟、烤化，同時還可以變色，增加多樣性。這樣通過燈光配合，原3D作品就摒棄冷冰冰且生硬的感覺，具有生氣，作品生動活潑起來，表現力更好。

還有一種造型是浮雕基板為長方形，這個不需要旋轉，但作品的背面也需增加光源，見圖9b達到上述效果。不同的是，目前還不能找到比較好的光源照射來達到設計效果，只有把作品緊貼在窗戶玻璃上，通過室外光線的照射，才能更好的表現作品意境。

打印系統使用兩種系統：一種是自行設計的3D打印機（設計圖見圖6a），一種使用成品打印機見圖8b（兩種打印機打印肉眼質量有差別，此外在速度、穩定性等方面也存在差別，本文旨在外觀查看樣品的區別，不在定量研究其他參數的區別）。

圖10作品造型做成空心球形，球內壁鋪設LED貼片燈光，放置與旋轉臺之上展示。圖11設計的是一個帶有底座的臺燈，由三個模型組成，分別由燈座、燈罩、圓片組成的格柵支撐等。內部光源依然采用USB接頭LED貼片5V調光調色燈光。設計增加人體感應傳感器，當有人靠近展示臺，旋轉臺開始旋轉，增加自動化元素和科技感。

“河套學院學生生活燈罩”是最具創意的作品，它把幾個不同部件組合一體，利用光、電技術展現意境同時兼具實用性。

3結語

高等學校的圖書館，作為文獻的聚集地和展示平臺，扮演著引領文化前進的角色，它的社會功能早已超越了本身的功能價值，進而演化成為一種文化精神的象征。河套學院圖書館位于學院景觀主軸、且最為宏偉，“河套學院”蒙漢雙語標識位于其頂層，從幾個因素上使得圖書館單體樓宇成了河套學院標志性建筑。把這種院標性建筑物在七星廣場的互相襯托下，表現河套學院在內蒙古西部高校的獨特地位具有一定意義。通過3D打印技術的創新設計，以不同構造形式，集合聲、光、電的自動化控制技術，創造出眼前一亮的紀念品，對宣傳河套學院、提升河套學院魅力都具有積極意義。

本文設計的作品是河套學院機電工程系師生共同完成的作品，他們掌握了3D打印相關專業知識，對發展類似新工科進行相關探索。使用3D技術打印成型作品具備個性化定制，同時兼具成本控制、設計無局限等優點，在校園文化和校園紀念品開發方面具有良好優勢，可以完成制造非標模型、小批量產品制造加工服務，針對性和靈活性高，同時具有3D技術的智能化制造、經濟性好、材料利用率高、縮短開發周期等特點。設計者通過制作過程也增強了愛校情懷，從觀賞者角度來看，本校開發的作品在展現教學效果還可以因為代入感更強，易于提升觀賞者的觀賞體驗。

參考文獻：

[1]賈冬義.產業創新與高校專業群建設研究[J].產業創新研究，2020（09）：153-154.

[2]賈冬義.應用型轉型本科MCU課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2018（06）：114-115.

[3]賈冬義.大學物理教學中的演示實驗設計——以多普勒效應為例[J].學園，2020，13（30）：32-34.

[4]Wang Kui，Li Shixian，Wu Yiyun，Rao Yanni，Peng Yong. Simultaneous reinforcement of both rigidity and energy absorption of polyamide-based composites with hybrid continuous fibers by 3D printing[J]. Composite Structures，2021，267.

作者簡介：

賈冬義（1976-），河套學院機電工程系，副主任、副教授。研究方向：自動化、力學問題;

王志林（1998-），河套學院機電工程系2018級電氣工程及其自動化3班學生。

（河套學院機電工程系?內蒙古巴彥淖爾?015000）