基于3D打印技术的创意水杯设计研究

赵志莹 潘峰

摘 要：3D打印技术是一种全新的快速成型技术。由于3D打印技术具有较多优势，所以被广泛应用于多个领域。本文基于3D打印技术3D One建模软件展开创意水杯的设计。利用3D打印机Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，对创意水杯名称信息、水杯吸管、杯身刻度线进行设计打印，并阐明3D打印技术原理和实现过程。

关键词：3D打印;3D One;创意水杯;设计

中图分类号：TS941.26 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0070-04

Abstract： 3D printing technology is a new rapid prototyping technology. Because 3D printing technology has many advantages， it is widely used in many fields. In this paper， the design of creative water cup was based on 3D One software platform. In addition， using 3D printer Einstart-S and PLA corn starch material， this paper designed and prints the name information of creative water cup， water cup straw and calibration line of cup body， and expounded the principle and implementation process of 3D printing technology.

Keywords：3D printing;3D One;creative water cup;design

科學技术突飞猛进，为生产制造业等行业的发展奠定了基石。19世纪末，美国最早提出3D打印概念。近几年，3D打印开始盛行于中国国内市场。中国物联网校企联盟称它为“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。如何在现有3D打印技术基础上培养人们的创新思维是当今社会面临的一大挑战。三维立体打印技术的出现给人们提供了学习和实践的机会、亲手设计实现创意的机会以及了解社会发展的机会。

让思想融入现实，让创意融入市场，推动社会的发展，为我们的生活带来便捷与舒适，作为本次创意设计的对象——水杯，通常是人们日常工作和外出时的携带品。本文利用目前较为流行的3D打印技术，基于3D One软件平台，对水杯名称、吸管、刻度进行创新设计，利用3D打印机Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，亲手打印制作了独一无二的创意水杯。

1 3D打印概述

3D打印是近30年来出现的一种全新的快速成型技术，就是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品[1]。这一技术被誉为新时代的工业革命。

3D打印技术在这30年的研发过程中取得了巨大的突破，能在一定程度上取代传统加工工艺中的机械加工及开模制造等制造工序，同时能解决一些传统工艺无法处理的技术难题，极大地缩减了加工时间和加工成本，是如今各国重点发展的领域之一。

2 水杯创意概述

3D打印技术首先是利用动画建模软件建模，然后将建成的模型切片，将每层截面的数据信息传递给3D打印机。在打印过程中，这些切片逐层附加，通过黏合剂黏合切片，最后制造出完整的固态物质。3D打印技术材料成本低、生产周期短、易用，因而被广泛用于各行各业。本文主要对创意水杯名称信息、水杯吸管、杯身刻度线三部分进行创意设计。

①创意水杯设计固定吸管。利用3D打印技术在水杯杯口位置设计固定吸管，在杯底内壁留有进水口，在杯顶沿留有喝水口或喝水管，取代了另加吸管的麻烦。

②创意水杯增加了杯身刻度线。通过3D打印技术，设计打印出刻度线，可度量杯子中水的容量，能够随时量取实时水量、剩余水量和喝掉的水量。

③创意水杯设计名称信息。通过3D One软件，设计出自己想用的名称和名字，便于区分物主、制定用处或宣传利用。

④熟悉创意水杯3D打印程序。3D打印技术原理，与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3 3D打印原理及打印流程

3.1 3D打印原理

3D打印技术是快速成型技术中的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印是添加剂制造技术的一种形式。在添加剂制造技术中，三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

3D 打印存在着许多不同的技术。这些技术的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用的材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙、石膏、铝、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。使用这些材料不需要生产线就能加工出传统生产工艺无法加工的形状复杂的零件。本文中用到的玉米淀粉也可以被拿来制作模具，人们生活中的许多可再生资源都可以被利用，这样既不会污染环境，还有利于废物的利用。

3.2 3D打印流程

3D打印机和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成，且打印原理也是一样的。3D打印机主要是打印前在电脑上利用建模软件，如3D one设计了一个完整的三维立体模型，将立体模型数据生成STL文件格式，将立体模型分层切片，然后再进行打印输出。3D打印流程如图1所示。

3.2.1 建模。3D建模就是通过三维制作软件在虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。获得3D模型主要有3种方法：直接从网上下载模型、通过3D扫描仪逆向工程建模、用建模软件建模。如果需要进行实物的真实还原，3D扫描仪是个不错的选择，其通过获取物体空间坐标的3D采样点和色彩信息生成模型，可以快速还原真实物体，但其缺点是操作复杂、价位昂贵。

3.2.2 切片处理。通过三维软件建立的数据模型一般无法直接导入打印机进行打印，需要经过切片软件将模型切片并保存为相应格式才能导入打印机进行打印操作。切片实际上就是把3D模型切成一片一片的，设计好打印的路径（填充密度、角度、外壳等），并将切片后的文件储存成一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式。一般切片厚度越薄，打印精度越高，不过层数越多，打印耗时也越长。而首层固化时间和每层固化时间则由打印机的光强及材料的性能决定，固化时间越长，则打印耗时越长。然后，再通过3D打印机控制软件，发送给打印机并控制3D打印机的参数，完成打印。

3.2.3 打印过程。启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把STL格式的模型切片得到Gcode文件传送给3D打印机;同时，装入3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数。打印机开始工作，材料会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行黏合，并按照横截面将图案固定住，最后一层一层叠加，最终将整个模型打印固化出来。

3.2.4 后期处理。3D打印机完成工作后，取出物体，进行后期处理。有时候3D打印出来的物品表面会比较粗糙（如利用SLS金属打印的物体），打印出来的产品可能与期望值有偏差，这时可以采用3D打印专用笔刀进行毛边及毛刺的修正，然后再进行抛光。抛光的办法有物理抛光和化学抛光。除了3DP打印技术可以实现彩色3D打印，其他的一般只可以打印单种颜色。有的时候需要对打印出来的物件进行上色，如ABS塑料、光敏树脂、尼龙、金属等，不同材料需要使用不一样的颜料。如需增大模型的强度和硬度，可把模型放入固化箱内进行二次固化，从而增强模型的强度和硬度，最终制作出所需要的模型。后期处理时需要小心谨慎，以免损坏产品的稳定性。

4 创意水杯3D模型的建立及效果

4.1 建模软件

3D One是一款专为中小学素质教育开发打造的3D设计软件，其致力于学生思维能力的提高，以促进创新素质教育的发展。因此，3D One具备简单易用的程序环境，支持专业级的涂鸦式平面草图绘制，可进行丰富实用的3D实体设计，提供多种多样的显示控制，还能通过内嵌于软件的社区网站，下载3D打印模型。该软件界面简洁、功能强大、操作简单、易于上手，整合了常用的实体造型和草图绘制命令，简化了操作界面和工具栏，实现了3D设计和3D打印软件的直接连接，并提供丰富的案例库。3D One的主界面如图2所示。

4.2 3D建模效果

通过3D One计算机建模软件，利用圆柱、刻度、标签等功能设计杯身、杯底、吸管、名称和刻度，设计出创意水杯模型。效果图如图3、4、5所示。

4.3 3D打印机Einstart-S

桌面型3D打印机Einstart-S（见图6）区别于以往的体型巨大的工业级3D打印机。桌面型3D打印机如它的名字一样，更为小型轻便，成本也更低，适合个人及个体商户使用。桌面型3D打印机打印方式为熔丝沉积成型（FDM），打印平台为亚克力磁吸平台，可实现多模型同平台自动布局，方便多模型同时打印。Einstart-S这款机器有独创的“开机一键打印”功能，官方宣称“10分钟内即可学会操作3D打印机”。使用该功能可以在短时间内完成自己的第一个3D打印作品，轻松体验3D打印乐趣。此外，Einstart-S独创开机一键打印、全金属框架、稳固耐用、原创软件算法、打印精度0.15mm，经得起考验。

4.4 实现效果

将STL数据生成为优化的平面打印路径，安置PLA植物材料，选定颜色，启动打印机，逐层地打印出来创意水杯实体（见图7、8）。由此可见，玉米淀粉材料作为原材料制作的水杯，表面较光滑，实物比较坚固，可以作为一种模具制作材料。

5 3D打印技术的影响

5.1 3D打印技术对产品细节设计的影响

3D打印制造模式的诞生意味着制造业向个性化制造模式发展，其突出优势在于低成本、高效率、制作物体的结构复杂。

产品的设计模型必将随着时代、科技和人文艺术的发展而更新。随着3D打印技术的发展与普及应用，产品的生产方式已不再束缚设计者的想象力。外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且浑然一体。設计者能够专注于产品形态创意和功能创新。产品造型设计将呈现出多元化趋势，在技术、经济、美学、环境、人机等要素中，美学要素越来越被重视。产品造型艺术化表现方式逐渐流行起来，人们对于造型的审美观也将随之发生改变。

5.2 3D打印技术对产品设计流程的影响

3D打印技术是产品设计的交流媒介。产品设计流程的平行化越来越受到重视，通过改进产品设计开发流程等手段，并考虑产品生命周期各阶段因素，对于后续环节可能出现的问题，要在设计的早期阶段就被发现并加以解决，最大程度地避免设计反复，缩短产品设计开发时间。在产品并行设计条件下，产品开发过程的各环节、各要素在可能的情况下同时工作，协同运行。在产品概念设计阶段，设计者往往只能借助较为抽象的2D平面图纸作为可视化媒介来进行方案的设计讨论;手工制作的概念草模在一定程度上能够弥补平面媒介直观性不强的不足，但在精度、质感、触感等方面与设计预期都存在较大偏差。而3D打印的应用能够将精准的概念模型引入设计讨论的时间大大提前，产品用户都能够直观地看到和触摸这些概念模型，比较它们之间的结构、外形和功能的差别与优劣，从而决定哪些产品概念值得继续下去。3D打印制作的概念模型能够明确反映出产品概念存在的问题，进而修改设计，重复这个设计迭代过程，直到产品完善为止。

6 结语

3D打印技术制造成本不高，且能够生产出复杂多变的产品，可以按照客户的需要进行个性化定制，操作简单，零交付时间，减少库存，用户可自己购买使用。3D打印技术种种不可替代的优势，会让更多人愿意去尝试。通过创意水杯设计与实物打印，首先了解创意水杯3D打印技术原理，熟悉了3D打印制作流程和打印程序，将3D打印技术应用到了日常生活中。其次，熟悉3D One建模软件的功能和使用方法，以及操作步骤、格式保存等注意事项，体验了建模过程。让人们充分了解了3D打印的流程，及如何利用软件等工具真正为自己服务。正是3D打印技术的出现，使人们生活中出现的灵感创意可以实现。最后，学会了利用3D打印技术设计实现创意水杯，真正感受到3D打印技术的魅力所在，受益匪浅。

参考文献：

[1]宋建宇.3D打印技术发展历史与实现流程简介[EB/OL]（2016-04-09）[2019-02-01].https：//mp.weixin.qq.com/s？__biz=MzA4OTYzMzY5MA%3D%3D&idx=1&mid=403069217&sn=6eaae7a4bdfce7cf382eab3020d5368d.