3D打印技术在产品模型制作中的应用研究

王二盟　吴晨　王钧　李举　王旭鹏

摘要：近年来高校的艺术类专业越来越多的建设了3D打印实验室，确实3D打印设备可以快速、高效、准确的将学生的创意想法，变为现实中可以触摸到的产品，实现“所想即所得”。学生也从这种“做中学”里得到了锻炼，不仅锻炼了学生的动手能力，更激发了学生学习的主动性和创新精神。本文论述作者在高校艺术类3D打印实验室教学实践方面的经验，并进行总结梳理，希望能为高校的艺术类3D打印实验室的建设及实践应用提供一些参考借鉴。

关键词：3D打印;FDM;熔积成型

3D打印技术，由于其操作的便捷性，快速性，在高校艺术类专业教学实践过程中被越来越多不同专业的学生作为模型由图纸到实物的制作中最常用的方式。这种打印方式并不局限于工业设计、产品设计专业;视觉传达专业同学开始用3D打印制作包装模型，环境艺术设计的同学开始用3D打印制作一些创新家具模型，动画系学生开始用3D打印制作动画人物形象，雕塑系学生开始用3D打印制作雕塑作品，服装设计系学生开始用3D打印制作服装及相关饰品。那么3D打印是什么、又包含哪些成型技术方式，笔者将逐一进行介绍。

一、3D打印的相关介绍及常见成型方式：

3D打印：又称为快速成型（Rapid Prototype简称RP）、快速制样或实体自由形式制造，是一种由材料加法成型、逐层堆积出制件的制造方法。目前常见的3D打印技术成型方式有以下三种：

1.FDM（熔积成型）技术：3D打印机采用低熔点材料，一般多用PLA、ABS等材料，采用喷头电加热使得喷头中原处于固体状态的PLA或ABS等材料呈熔融状态，然后由计算机控制打印机喷头做XY轴方向工作，同时加压使3D打印机喷头中呈熔融状态的材料被挤出，3D打印机喷头根据电脑对三维模型切片数据路径工作，将呈熔融状态PLA或ABS等材料涂覆在底板上，构成为模型的一个横截面（层），然后喷头上升，逐层加工，反复成型。

2.SLA（光固化）技术：将建立好的三维模型经过电脑离散分层处理后的信息，按照模型设计扫描分层后数据得出工作路径，3D打印机设备将紫外激光束投射到液态光敏树脂材料表面，紫外激光束和光敏树脂发生发应，使原处于液态的光敏树脂固化。从而生成零件的一个横截面（层），然后3D打印机平台下降一层，以此类推，逐层反复，最终成型。

3.SLS（粉末烧结成型）技术：将三维模型经过电脑离散分层处理后的信息，按照设计扫描路径，用3D打印机设备将激光束投射到烧结金属粉末表面，金属粉末颗粒因烧结而成为金属面，也就是零件的一个横截面（层），然后3D打印机平台下降一层，以此类推，逐层反复，最终成型。

二、3D打印在实践环节的打印技巧

由于SLA（光固化）技术的液体的成型材料不易储存、加工流程相对复杂，SLS（金属粉末烧结成型）技术的金属3D打印设备成本高昂，所以，目前高校艺术类3D打印实验室，基本的桌面级3D打印机大多都是基于FDM（熔积成型）技术的设备。相比较而言采用FDM技术的3D打印机采用的是PLA或ABS等加工材料，操作更加简单、方便、且低成本。FDM技术类型的3D打印的原理决定了它的打印特性，掌握了这些特性才能更好的打印出理想的模型产品，主要包括以下几点：

1.3D打印机调平，确保机器平台与喷嘴距离较佳：如果出来的丝是呈锯齿状，说明平台和喷嘴距离过大，丝是从喷嘴甩下来而不是刚好贴紧的，打印模型会出现模型的起翘或者位移现象，这时稍微顺时针旋转螺母，使平台向上，直到现象消失，出现贴紧的线条为止。如果发现出丝过细或者出丝不连贯，说明喷嘴与平台的距离过小，导致喷嘴出丝量过小。模型打印过程会出现材料堵塞喷头现象。这时稍微逆时针旋转螺母，使平台向下，直到出丝量饱满顺畅为止。如果发现打印时，喷嘴跟平台距离过大或者过小，请停止打印，重新调整平台直到平台 跟喷嘴距离合适为止。多数情况下的打印失败都是由于平台没调好造成的，应按照要求反复调试，确定平台高度已调到较佳。并且在打印第一层的是时候，最好看着机器打印，确认机器打印正常后才离开。3D打印机平台与喷嘴的最佳距离大概是一张纸的间隔。

2.选择好的切片软件：好的切片软件是3D打印的核心，现在的切片软件也非常多。目前使用比较广泛且操作便捷的切片软件有MakerBot Desktop、ideaMaker、Cura等。切片软件的好坏，会直接影响到打印物品的质量。简单的说，切片软件就是将3D模型转化为机器可以识别的语言，所以切片软件的选择，就好比翻译官的好坏，直接影响模型制作最终效果。

3.模型底部平坦：打印的时候，应该选择底部是平坦的一面，由于打印机是从底部开始逐层打印，所以底层决定了整个打印物体的质量。所以，打印底层是最为重要的，选好一个平坦的底部作为底层打印是打印成功的关键。

4.模型避免悬空：由于打印的时候喷嘴挤出的丝是流体，在重力的作用下会往下垂，如果打印的图形有悬空的地方，打印的丝就会往下垂。所以，打印的时候就需要使用软件生成支撑，打印结束后再把支撑进行去除。类似于盖房子的时候，由于混凝土是流体，会往下掉，所以，需要先打好木桩才能盖房子，等混凝土凝固了再拆去木桩。跟建筑一样，拆去木桩以后会留下木桩的痕迹，打印完毕以后也会留下支撑的一些痕迹，所以，如果想提高打印品质，就需要尽量避开悬空的地方，具体是在3D打印所自带的切片软件中对三维模型的角度进行调整，避开悬空。

5.设好温度，避免起翘：FDM技术类型的3D打印在模型制作环节，由于其技术本身属于熔积成型，所以由于冬季、夏季温差原因会造成模型成型过程温度变化不均，导致液体的材料在成型过程中冬季较快凝固，而夏季则凝固较慢，最终造成模型的起翘现象，模型在地板黏贴不够牢固，导致模型掉落移位，打印失败。所以，对于开放式的桌面级3D打印尽量定制透明防护罩进行温度控制。另外，对于PLA及ABS等材料的差异，PLA材易发生堵塞喷头现象，ABS容易发生翘边现象，所以，对于打印机底板及喷头温度的调节也有差异;不同季节，不同材料，对于打印机底板和喷头的温度也应该相应的调整。PLA推荐喷头温度设置为190-220℃，底板温度设置为60-70℃;ABS喷头温度推荐设置为210-230℃，底板温度设置为90-100℃最佳。

6.组装匹配图形公差：如果打印的物体是需要进行组装的图形，例如螺丝和螺母、齿轮的匹配这些图形，由于 打印过程塑料的热胀冷缩以及底层打印产生膨大的边缘，所以需要把公差放大一点，一般公 差设置为 0.4mm，具体根据实际图形进行设置。

7.大体积图形的打印：如果打印的体积比较大，必须使用 PLA 耗材，ABS 耗材本身特性决定了它不适合用于大 体积的图形，容易裂开和变形，所以体积大的图形需要使用 PLA。 如果大体积的图形打印过程还是容易翘边，可以用点 502 胶水把图形底部黏住，但是切 记不要让 502 把喷嘴堵死。

随着3D打印技术的普及，幼儿园、小学、初中、高中以及各种创客营也都在让学生更早的接触到这种新的产品加工技术。通过这种技术将各年龄段、不同知识层、不同的创意想法，变成现实。学生也从整个教学、制作的参与过程中，激发学生学習兴趣，提升创新能力和动手能力。但是由于材料及设备成本问题，目前3D打印教学基本采用的是FDM技术大3D打印设备，教学过程种对于SLA（光固化）技术、SLS（粉末烧结成型）技术基本采用图文或视频进行展示，学生缺少了实际打印环节参与的过程和体会。相信科技的发展，3D打印设备及材料的不断发展，设备成本及材料成本也会也会越来易被接受，我们3D打印的成型技术方式也会更加多元。

参考文献

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