基于FDM工艺的3D打印技术在文创产品原型设计中的应用研究

刘 江 长沙师范学院美术与设计学院

在文化复兴成为国家战略的背景下，我国的文化创意产业得到了迅速发展。文化创意产品作为文化元素的重要载体，在传统文化的传承与传播中发挥着重要作用。如何将传统文化元素与现代设计相融合，以符合现代人的审美和实用需求，成为文创产品设计的重点。随着新材料、新工艺和新技术的不断进步，现代设计方法也越来越多样化。3D打印技术在现代设计中的广泛应用，有效地提升了产品造型设计的创意性和可行性，可以缩短设计周期且降低研发成本，在产品创意设计中发挥越来越重要的作用。

一、3D打印技术与FDM工艺

3D打印技术也称为增材制造，是一种快速成型技术。3D打印的技术原理是把一个利用逆向工程三维扫描或计算机辅助设计等方法制作完成的三维数字模型，依据不同的3D打印工艺类型，经过专门的切分软件将建立的模型分散成一系列有序的二维单元，一般在Z轴方向上根据厚度及精度数据要求进行分层，把三维数字模型切分成一系列的二维切片，然后根据每一层的轮廓数据信息，输入需要的加工参数，生成加工程序代码，最后经由快速成型硬件系统将零件自动打印成型，从而得到一个三维物理模型。依靠该技术可以快速制作相对复杂的实体模型，而且成型的过程中无须模具的辅助，因此3D打印与传统的铸造、注塑、机械加工等生产方式相比，更容易适应产品设计的快速迭代和造型变化，可以缩短产品开发周期，降低设计开发成本。

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling），简称 FDM工艺，是3D打印技术的一种工艺类型。熔融沉积成型的工艺原理是利用热熔性的丝状材料在3D打印设备可编辑逻辑控制器的控制下逐层堆积成型，成型材料由供丝机构送至喷头组件，并在喷头中加热至熔融态。加热喷头在控制系统指令（Gcode代码）下沿着零件截面轮廓和内部轨迹运动，同时将半流动状态的热熔材料挤出，黏稠状的成型材料涂覆在工作台上并迅速冷却固化后形成一层截面轮廓。当下面一层成型后，喷头按照代码数据上升至特定高度，再继续进行下一层的涂覆，层层堆积后形成三维产品模型。

FDM工艺的硬件设备不需要采用激光，因此这种工艺设备的使用、维护比较便捷，加工成本较低。利用 PLA、ABS、PPSF、PC等高强度的材料成型的产品模型具有较高的精度和强度，能够制造出功能性零件或产品，可以直接用于产品设计验证的测试和评估等。鉴于该工艺技术的诸多优点，该技术在产品设计开发中得到了快速发展和广泛应用。

二、产品原型设计与3D打印技术

产品原型设计是设计创意产品化的重要途径，也是设计方案可行性验证和完善的重要过程。在现代产品设计中，计算机辅助设计的广泛应用，为产品设计提供了更加快捷、高效和多样化的设计手段，使用计算机辅助手段来绘制各种设计方案图纸和制作三维数字模型，并利用3D打印技术快速制作出产品模型，通过模拟现实环境来仿真演示出产品的使用场景，极大地方便了设计验证过程，提升了方案的可行性，也有效地提升了产品的设计质量。

三、FDM工艺在文创产品设计中的应用

（一）应用案例

1.博物馆文创产品设计

以彩绘狩猎纹漆樽图形元素设计的香薰灯具为例，从湖南省博物馆馆藏文物彩绘狩猎纹漆樽上提取图形元素（如图1），将图形元素进行再设计（如图2），并应用于香薰产品的外观造型设计（如图3），使用FDM工艺3D打印机进行快速成型制作，材质为PLA。

2.博物馆文创产品设计

以透雕龙凤纹重环玉佩图形元素的灯具设计为例，从广州西汉南越王博物馆馆藏文物透雕龙凤纹重环玉佩上提取图形元素（如图4），应用于灯具的外观造型设计（如图5），使用FDM工艺3D打印机进行快速成型制作，材质为PLA。

3.湖南地域文化创意产品设计

以江永女书文化元素的灯具设计为例，从湖南江永女书文化中提取设计元素进行图形创意（如图6），并应用于灯具产品的外观造型设计（如图7），使用FDM工艺3D打印机进行快速成型制作，材质为PLA。

（二）案例问题分析及总结

在上述文创产品原型设计的过程中，设计者利用计算机辅助手段结合FDM工艺3D打印技术制作模型进行设计验证和可行性分析，在设计考量中要注意以下几个问题。

1.三维数字模型的壁厚及尺寸

在产品三维数字模型创建中应该注意产品造型的壁厚及尺寸。一般来说，壁厚越大，产品零件的硬度和强度越高，产品模型的尺寸越大，所需最小壁厚也就越大。强度有特殊要求或者应力部位结构，可设计加强筋以增加零件强度。不建议一次性打印极限尺寸模型，因为FDM工艺3D打印在打印尺寸过大、过薄的零件时容易产生翘曲。

2.三维数字模型的组合及拆分

在进行三维数字模型设计的时候，不同的设计者往往会使用不同的设计软件，因此需要注意建模组合细节。常见的问题点主要集中在三维数字模型组合的自动交叉面、内部交叠面、自交叉表面等位置，如果尺寸设置不合理或者交叉在一起则容易造成“破面”，会影响打印效果甚至无法切分制作G代码。复杂的产品造型，在建模时应注意进行合理拆分，并注意公差，FDM工艺3D打印的零件拼接件所需间隙一般为0.2mm~0.3mm，模型越大，所需拼接间隙也应越大。

3.三维数字模型的造型细节

建模时，有些细节或者对象比较细微的装饰件，如浮雕或镌刻文字（如图7），需要有足够大的尺寸，否则无法在3D打印对象上还原。因此需要设计者熟悉3D打印机的打印精度，以及能够制作的最小尺寸。优化造型细节，参考45度法则以及减少FDM工艺中模型支撑支架的使用，可以让模型的外观更加光滑。另外，如果模型底部与打印平台接触面积较小，则容易在3D打印过程中造成模型倒塌，因此建议设计底座以确保能成功打印零件。

4.三维数字模型的文件导出格式

在3D打印模型文件的格式中，STL是最常见的文件格式。这种文件格式是以数字建模的三角面作为基础，这也意味着三维数字模型也将被转换成一个由三角面组成的模型，大多数的3D建模软件都能够输出STL格式的文件。设置所需的分辨率对打印出一个高质量的模型非常重要，分辨率过高和过低都容易造成3D打印中出现模型效果不佳的问题。

四、结语

随着科学技术的不断发展，3D打印这种数字快速成型技术在产品设计中将得到越来越广泛的应用，而传统生产制造技术与数字化技术的融合，有力地促进了设计行业的进步。尤其是在制造工艺、材料与方法上的不断改进，产品设计师的前期方案设计不需要再受造型、结构、模具等复杂因素的制约，可以有更多的时间和精力投入产品的概念设计中，从而提升产品的艺术性和功能性。本案例根据3D打印技术制作文创产品创意造型实例，探索FDM工艺的3D打印技术在产品原型设计中的应用，充分发挥3D打印技术的优势，促进文化创意产品的开发与人民生产生活的深度融合，为文化创意产业的经济化、效益化发展提供了技术支持，进一步推进了文化创意设计行业的创新发展。