基于FDM-3D打印的产品模型设计实践教学研究

向谦 高慧 王羽佳

摘 要：本文通过对FDM-3D打印的介绍及其在产品模型设计中的实践教学研究，使学生能够了解FDM-3D打印技术原理，掌握相关技术要素，提升实践技能，并最终结合相关实践教学提出若干思考。

关键词：FDM-3D打印;产品模型设计;实践教学

1 产品模型设计的意义

现今，多数高校都有产品设计专业，在产品的研发过程中，产品模型设计将设计构思与产品表现集为一体，主要展示产品的造型、结构、比例、功能、人机等关系。学生经过对模型的研讨推敲、深化设计，最终在产品模型的形态、色彩、质感上予以确定，其真实感远胜于停留在设计概念中的想象。由此可见，在产品研发中，产品模型设计是设计概念的立体化呈现，更具有说明性、可触性、实践性、启发性。

2 基于FDM-3D打印技术的产品模型设计

模型研究因材料的不同而制作方法不同，比如常见的石膏模型、油泥模型等。随着近年来3D打印技术的成熟，也使其越来越成为产品模型设计的重要方法。

FDM技术是3D打印技术的一种，也称之为熔融沉积技术，常用材料有ABS、PLA等。FDM-3D打印原理是将线状材料抽入喷头，通过加热模块使线材达到熔点，挤出细丝，按照切片模型的程序文件控制喷头X、Y轴的移动完成一层的打印，再控制Z轴的移动逐层打印叠加。由于FDM-3D打印的增材制造，不受限于复杂的曲面和结构，这使得产品模型设计更具有丰富的可能性，人们的创意也更具有发挥的空间，将大大激发人们的创造力和想象力。

3 基于FDM-3D打印技术的产品模型设计实践教学的目标

实践教学主要是将理论联系实践，培养学生的动手能力，使学生掌握科学的方法，成为具有创新精神和高素质的职业人员。基于FDM-3D打印技术的产品模型设计实践教学目标除了培养以上的素质外，还应该使学生掌握相关的实践技能。例如：数字虚拟建模技术（3DMAX、Rhino等）、3D打印技术（Crue切片软件）以及模型表现能力等。

4 基于FDM-3D打印技术的产品模型设计实践教学案例

4.1 迈克尔·格雷夫斯的快乐鸟水壶

该作品直径22cm，高22.5cm，由壶盖、壶身、壶嘴三部分构成，造型简洁美观，小鸟的壶嘴增加了作品的趣味性。首先用Rhino建模，确保模型无破面现象，导出STL格式文件。

第一次实验：在Cura切片软件里按默认参数值打印，模型顶部出现抖动现象。经分析：壶身基座稳定，但把手纤细，造成顶部容易出现摆动现象。打印应该减小模型支撑临界点的角度，以此增加支撑范围。第二次实验：将支撑临界点由默认的60度减小至20度，模型打印成功。但在组合时失败。经分析：由于喷出的线材细丝无法达到绝对的光滑，因此在模型表面具有一定的摩擦，导致组件无法组合。打印时应该将需要组合的部分调至约0.2mm的公差，确保组件相互嵌套不至于无法插入或者松弛。

4.2 飞利浦·斯塔克榨汁机

该作品尺寸为13.7x11.4x30.5cm，造型源自“章鱼”的形态，曲线优美，造型简洁，给人一种清新、奇特的审美感受，赋予了人们生活的幽默情趣。模型获取同上。

第一次实验：直接默认切片软件参数打印不到10cm的高度出现滑动现象。经分析：“章鱼”脚与底座接触面积过小。应缩小模型第一层与底座的距离，使模型与底座粘贴更牢。第二次实验：在切片软件中，将专家设置里的Raft第一悬空间隙调至0.05mm（第一次实验为0.2mm）。结果滑动现象解决，但顶部出现抖动现象。经分析：打印高度跟底面接触面积有一定的关系，头重脚轻的模型宜倒立打印，尽量增大模型与底座的接触面积。第三次实验：将模型倒立打印，但 “章鱼”脚拐角出现局部乱丝。经分析：由于默认支撑的填充为10%，倒立的“章鱼”脚拐角顶点落空。可见模型填充和支撑填充在特殊模型处理上，应该区别设置。第四次实验：将支撑填充改为80%，最终打印成功。

由上文可知FDM-3D打印在产品模型设计中有以下常见问题：一是支撑临界点问题。模型需要更多支撑，需将临界点角度调小，少用支撑则反之。二是公差问题。模型如需组装嵌套，则需将接触部分公差调整为0.2mm的间隙。三是第一悬空间隙问题。模型接触面积小，宜减小悬空间隙。四是头重脚轻问题。宜旋转180度倒立打印，增大底部稳定性。五是支撑填充问题。应注意模型悬空跟支撑接触部分的贴合度。

5 基于FDM-3D打印技术的产品模型设计实践教学思考

产品模型设计从过程来说应经历设计构想、数字建模、3D打印、模型处理四个步骤。学生从设计构想到模型的呈现能够感受到实践带来的满足感，更能感受到创意的力量。所以，在实践教学中，应该鼓励学生发挥创意，讓创意驱动实践兴趣。

近年来随着编程教育越来越普及化，在产品模型设计的实践教学中，大可介入processing编程技术和Arduino硬件平台，结合FDM-3D打印技术。一方面使产品更具实操性，一方面使产品外观造型更具丰富性，这将大大加强了学生的动手能力和实践技能。

6 结语

本文通过案例的实验演示，经过分析，指出FDM-3D打印技术在产品模型设计中常见的问题，并提供相对的解决对策，使学生掌握相关技能。可见实践教学应该鼓励学生不断实验，举一反三，这有利于提高实践教学水平，提高学生动手实践能力，扩展学生创意设计的空间。

参考文献：

[1] 胡迪·利普森，梅尔芭·库曼（美）. 3D打印：从想象到现实[M].中信出版社，2013.

[2] 彭泽湘.产品模型设计[M].湖南大学出版社，2009.

[3] 俞仲文.高等职业技术教育实践教学研究[M].清华大学出版社，2004.

作者简介：向谦（1990—），男，湖南岳阳人，中国美院硕士，从事综合设计与理论研究。

高慧，上海应用技术大学讲师，从事工业设计教育和计算机辅助设计研究。