3D打印技術在校園文創產品設計制作中的應用

成瀾

關鍵詞：3D 打印；文創；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，文化創意產業的發展不斷增速，成為新經濟發展的中堅力量。文創即文化創意，以創意為紐帶將文化和產品相互加載，將審美和實用相互融入，碰撞出新銳的張力，實現消費者心理需求和使用需求的聚合[1]。在擺脫了文創產品的同質化羈絆后，以故宮博物院為代表的新一波文創熱，將傳統文化與現代設計理念深度融合，繼承內涵，迎合審美，創新形式。

1 校園文創產品的現狀

校園文化是全社會文化的一個特殊部分，體現了學校在長期辦學過程中所堅持的辦學理念、傳承的人文精神和積淀的歷史底蘊，也是校園物質文化與非物質文化的共生浸潤。校園文創產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。

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

1.1 設計上避不掉同質化的大坑

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

1.2 內涵上繞不開校徽校景的框

校園文創產品上的校園文化印記，多見于校徽、校園代表性建筑物。簡單結合的基礎設計條條框框勢必導致創新性不足，審美疲勞。高校發展和地域經濟發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。高校文創產品除了在縱向深挖校園物質精神文化的同時，橫向擴展與地域文化相結合，講好校園故事，弘揚地域文化，也是一個思路。

1.3 功能上站不上工業品的高度

校園文創產品的功能設計都比較單一，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致的產品品牌意識不足，認為校園文創產品只是校園的附屬品，沒有站在產品創制的高度去規劃。所以往往也就是知名高校的文創產品還有一些收藏和饋贈需求[3]，其他的高校文創產品基本走不出校園，嚴重影響了文創產品作為校園文化傳播載體的重要社會價值。

1.4 營銷上學不會互聯網新玩法

線下和線上相結合的營銷手段已經成為市場的習慣。調查了一下目前高校文創產品的營銷，發現還是以校園內的線下小店為主，極少數高校用到了線上平臺。例如：清華大學的校園文創產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；南京大學為了120周年校慶也設計了校慶紀念文創產品，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網+營銷手段了，這一點與高校對新事物、新技術的接收能力定位不相匹配。

2 3D 打印技術融合STEAM 理念進行設計的優勢

經過前期對高校文創產品設計現狀的調研分析，基本可以歸納出三個階段的設計思路：

1）初階是融合了藝術性和實用性的紡織印染類工美產品[4]；

2）中階是兼顧造型藝術和巧妙結構設計學習辦公文具類產品；

3）高階則是賦能了智能交互技術的創新設計類產品；高校作為培養各領域高層次專業和技術人才的機構，更應在原有文創產品藝術性、實用性的基礎上，在特色創意和科技創新的方向上賦能增值。

STEAM的理念，非常適合高階校園文創產品的設計。STEAM的概念由來已久，所謂科學、技術、工程、藝術、數學是歸納了幾個籠統的大方向，其實就是多學科的整合，旨在提升思維創新能力和設計創造能力，加強認知能力和實踐能力。其中3D打印的融合，非常有利于產品的前期設計成型以及文創產品個性化定制方向的發展。

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

1） 3D打印技術能夠快速將數字概念設計轉化為實物，相對開模成本低，也方便測試和修改。這一優勢也適合學生廣泛參與校園文創產品的全民設計，及時為產品設計提供具象呈現。

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

3） 3D 打印可以突破復雜結構和制造工藝的壁壘，設計靈感充分發揮，更適合創意創新類產品的設計制造。

所以，立足實用性，適當加入STEAM的藝術和科技元素，并運用3D打印技術打樣乃至制造，是校園文創產品設計提升的一個很好途徑。

3 基于3D打印的IVT 校園文創產品設計與打樣

3.1 設計建模

本產品是一個基于傳感器控制的桌面氛圍燈，IVT是學校蘇州工業園區職業技術學院的英文簡稱。創意設計來自比利時Filigranes書店的創意廣告，他們按照預先設計將書頁折角，書本半打開狀態時，眾多不同折角書頁就造型成了相應的立體字母。

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。考慮到結構體內智能裝置安裝及使用維修方便，在書體與書殼連接側預留了孔洞，如圖2所示。

書殼部分建模如圖3所示，內側簡單設計了伸出的L形結構，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據分割成二維數據，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據，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量調整模型的方向，這會影響到打印后期處理的復雜度。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型結構需要打印支撐，正向放置支撐比較長，倒置打印的支撐短，耗材少也好清除。

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

1） 層高

需要根據打印機的噴嘴規格和打印精度要求設置，對于0.4噴嘴，層高設置經驗值為0.1～0.2，對于0.6噴嘴，層高設置經驗值為0.1～0.3。而越小的參數值對應越精細的打印效果，當然也更耗時。

2） 壁厚

壁厚是打印面最外層殼的厚度，參數設置為打印機噴嘴的整數倍。本設計書殼厚度是3mm，書脊厚度5mm，打印機噴嘴0.4，設置壁厚0.8。打印機設計中所有需要鉆孔的位置都已經在建模時就預留了，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構就封閉起來，看不到內部填充，這個參數不能設置太小，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。填充參數范圍0～100，數值越大填充密度越大，結構強度就越好，一般產品設置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致錯層，過慢則浪費時間，經驗值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，所以一般經驗把溫度參數設成195度左右，特別是打印速度快，層厚比較大時，應把溫度設置高一點。當然使用不同耗材，噴頭溫度肯定也不同。

7） 支撐設置

當打印模型有懸空結構時，比如書殼中的L型凸起結構，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、支撐密度等來設置支撐添加的位置、數量和強度，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，這個在打磨環節可以從80目開始用砂紙水磨，逐漸換用更高目數的砂紙。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量的影響，一打磨反倒出現拉絲現象，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，復雜細節處上色只能用筆涂，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

硬件控制系統主要包括核心主控系統和外接擴展系統，如圖6所示。核心主控系統采用以ArduinoUNO為核心的微控制系統。Arduino UNO是一款基于ATmega328P的開發板，可通過USB外接供電。外接擴展系統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設語音指令同時滿足才會點亮LED燈。語音識別出關燈指令，或者未有語音指令但光線強度大于閾值，同樣都關閉LED燈，此設計是出于節能考慮，防止早上出門時忘記關燈。

4 結束語

校園文創產品的設計，不是單純的校園文化的輸出，也不是表面的產品創制，更是學校學科水平及創新能力在人才培養領域綜合實踐和成果展示的平臺。3D打印技術融合STEAM教育理念，為師生在文創產品設計和制作中展現才情、體現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，可以為高校或中小學的STEAM教育提供借鑒。