3D打印技术在校园文创产品设计制作中的应用

成澜

关键词：3D 打印；文创；后期加工；Arduino

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）02-0093-04

近年来，文化创意产业的发展不断增速，成为新经济发展的中坚力量。文创即文化创意，以创意为纽带将文化和产品相互加载，将审美和实用相互融入，碰撞出新锐的张力，实现消费者心理需求和使用需求的聚合[1]。在摆脱了文创产品的同质化羁绊后，以故宫博物院为代表的新一波文创热，将传统文化与现代设计理念深度融合，继承内涵，迎合审美，创新形式。

1 校园文创产品的现状

校园文化是全社会文化的一个特殊部分，体现了学校在长期办学过程中所坚持的办学理念、传承的人文精神和积淀的历史底蕴，也是校园物质文化与非物质文化的共生浸润。校园文创产品是校园文化传播的很好载体，反过来同时也可以成为校园文化的精彩组成。

校园文创产品的发展，最早开始于欧美的高校，而且逐年积累和发展，其产品类型齐全，产品设计贴合流行趋势，整个设计、开发、生产、营销模式较为成熟，社会关注度高[2]。国内的校园文创产品发展也是方兴未艾，从早年的校徽、明信片、纪念封、记事本、书签这些简单的带学校LOGO的文化用品，逐渐发展到集文具、纪念品、生活用品、食品、工艺品、运动器械在内的众多门类。但高校文创产品设计开发还存在一些问题。

1.1 设计上避不掉同质化的大坑

校园文创产品的种类虽然繁多，但同质化现象还是非常普遍。文化衫、帆布袋这类产品以图案设计为主，自然有环保有个性化的特点。但是另一类，比如比较实用的U盘产品，基本上都还是市场上现成U盘产品的定制，激光雕刻了校园LOGO等。这类产品的同质化更严重，不一定是设计能力不足，通常应该是市场需求量否定了创新设计批量化生产的需求。文创产品是文化的创造创新，是文化的沉淀激发，从追求不同开始，逐步追求更好。

1.2 内涵上绕不开校徽校景的框

校园文创产品上的校园文化印记，多见于校徽、校园代表性建筑物。简单结合的基础设计条条框框势必导致创新性不足，审美疲劳。高校发展和地域经济发展两者是相辅相成的，同理，高校文化也势必与地域文化相互浸润。高校文创产品除了在纵向深挖校园物质精神文化的同时，横向扩展与地域文化相结合，讲好校园故事，弘扬地域文化，也是一个思路。

1.3 功能上站不上工业品的高度

校园文创产品的功能设计都比较单一，主要是缺乏新科技元素的赋能。一方面可能是成本的考虑，另一方面可能是长期销售范围局限导致的产品品牌意识不足，认为校园文创产品只是校园的附属品，沒有站在产品创制的高度去规划。所以往往也就是知名高校的文创产品还有一些收藏和馈赠需求[3]，其他的高校文创产品基本走不出校园，严重影响了文创产品作为校园文化传播载体的重要社会价值。

1.4 营销上学不会互联网新玩法

线下和线上相结合的营销手段已经成为市场的习惯。调查了一下目前高校文创产品的营销，发现还是以校园内的线下小店为主，极少数高校用到了线上平台。例如：清华大学的校园文创产品在微信平台有名为“水木有礼”的公众号以及“清华印象”的官方商城；南京大学为了120周年校庆也设计了校庆纪念文创产品，在微信平台有两个官方商城在销售。线上销售平台的使用尚且寥寥，更不用说种类繁多的互联网+营销手段了，这一点与高校对新事物、新技术的接收能力定位不相匹配。

2 3D 打印技术融合STEAM 理念进行设计的优势

经过前期对高校文创产品设计现状的调研分析，基本可以归纳出三个阶段的设计思路：

1）初阶是融合了艺术性和实用性的纺织印染类工美产品[4]；

2）中阶是兼顾造型艺术和巧妙结构设计学习办公文具类产品；

3）高阶则是赋能了智能交互技术的创新设计类产品；高校作为培养各领域高层次专业和技术人才的机构，更应在原有文创产品艺术性、实用性的基础上，在特色创意和科技创新的方向上赋能增值。

STEAM的理念，非常适合高阶校园文创产品的设计。STEAM的概念由来已久，所谓科学、技术、工程、艺术、数学是归纳了几个笼统的大方向，其实就是多学科的整合，旨在提升思维创新能力和设计创造能力，加强认知能力和实践能力。其中3D打印的融合，非常有利于产品的前期设计成型以及文创产品个性化定制方向的发展。

3D打印技术，业界更专业地称为增材制造，是指利用金属、非金属、医用生物等材料逐层堆积成形的原理，按照数字三维模型，制造出产品原型或零部件的数字化制造技术[5]。3D打印在有些方面优势明显：

1） 3D打印技术能够快速将数字概念设计转化为实物，相对开模成本低，也方便测试和修改。这一优势也适合学生广泛参与校园文创产品的全民设计，及时为产品设计提供具象呈现。

2） 适合的材料和3D打印技术，能直接打印制造最终产品，设计即产品，创造无极限。如果未来能解决材料种类和成本问题，这一优势可以被用于支持校园文创产品的个性化定制，乃至延伸至更广泛的产品个性化设计生产中。

3） 3D 打印可以突破复杂结构和制造工艺的壁垒，设计灵感充分发挥，更适合创意创新类产品的设计制造。

所以，立足实用性，适当加入STEAM的艺术和科技元素，并运用3D打印技术打样乃至制造，是校园文创产品设计提升的一个很好途径。

3 基于3D打印的IVT 校园文创产品设计与打样

3.1 设计建模

本产品是一个基于传感器控制的桌面氛围灯，IVT是学校苏州工业园区职业技术学院的英文简称。创意设计来自比利时Filigranes书店的创意广告，他们按照预先设计将书页折角，书本半打开状态时，众多不同折角书页就造型成了相应的立体字母。

建模使用Rhinoceros作为建模工具，书页部分和书壳分色打印，所以分开建模。书体部分建模如图1所示，前半部分造型通过字母弯曲偏移实现。考虑到结构体内智能装置安装及使用维修方便，在书体与书壳连接侧预留了孔洞，如图2所示。

书壳部分建模如图3所示，内侧简单设计了伸出的L形结构，用于连接书体部分打印件。

3.2 切片处理及打印

绘制出来的产品各个组件模型的STL文件，需要在切片软件中处理。切片就是将建模的三维数据分割成二维数据，形象地说就是将三维模型水平切割成一层层薄片。对每个薄片层生成尺寸数据，3D打印其实就是逐层打印。在切片软件中要考虑打印支架数量调整模型的方向，这会影响到打印后期处理的复杂度。如图4所示为书壳部分的打印切片，此时就将模型倒置放置，因为突出的L型结构需要打印支撑，正向放置支撑比较长，倒置打印的支撑短，耗材少也好清除。

本设计用市面上主流的Cura切片软件。切片软件中也需要根据打印机规格设置一些参数。本次所用的3D 打印机是Makesome 云智能高精度FDM 打印机。

1） 层高

需要根据打印机的喷嘴规格和打印精度要求设置，对于0.4喷嘴，层高设置经验值为0.1～0.2，对于0.6喷嘴，层高设置经验值为0.1～0.3。而越小的参数值对应越精细的打印效果，当然也更耗时。

2） 壁厚

壁厚是打印面最外层壳的厚度，参数设置为打印机喷嘴的整数倍。本设计书壳厚度是3mm，书脊厚度5mm，打印机喷嘴0.4，设置壁厚0.8。打印机设计中所有需要钻孔的位置都已经在建模时就预留了，所以不必为此而再额外考虑增加厚度。

3） 底层/顶层厚度

这是打印成品最下和最上层的厚度，打完底层和顶层整个打印件结构就封闭起来，看不到内部填充，这个参数不能设置太小，否则打印太薄容易造成塌陷。

4） 填充密度

书壳厚度3mm，打印壁厚0.8，则里外两层壁之间还有1.4mm的空隙就需要填充。填充参数范围0～100，数值越大填充密度越大，结构强度就越好，一般产品设置20就够了。

5） 打印速度

喷头移动的速度，过快电机容易失步从而导致错层，过慢则浪费时间，经验值65mm/s。

6） 喷头温度

打印耗材PLA在170度开始熔融，但是这个温度下黏度比较大，很难挤动，所以一般经验把温度参数设成195度左右，特别是打印速度快，层厚比较大时，应把温度设置高一点。当然使用不同耗材，喷头温度肯定也不同。

7） 支撑设置

当打印模型有悬空结构时，比如书壳中的L型凸起结构，通常就需要软件自动增加支撑，我们通过支撑类型、支撑角度、支撑密度等来设置支撑添加的位置、数量和强度，兼顾有效支撑和方便剥离。

3.3 后期处理

打印完成后首先是取件，之后剝离底板和支架，之后就是打磨清洗，如果有需要再做喷漆上色工艺，简略流程如图5所示。

FDM的不足之一是表面粗糙有横纹，这个在打磨环节可以从80目开始用砂纸水磨，逐渐换用更高目数的砂纸。理论上可以越磨越光滑，但实际操作下来，可能还受打印机和耗材质量的影响，一打磨反倒出现拉丝现象，以及砂纸的细砂颗粒嵌入横纹缝隙的情况。FDM打印件如果非要打磨上色，可以考虑原子灰补土、喷罐水补土，填补坑洞和缝隙，同时用作模型上色底色，增加漆面附着力。

大面积的上色用喷笔比较均匀，复杂细节处上色只能用笔涂，以#字形来回涂刷两三遍以达到上色均匀饱满、减淡笔纹。

3.4 智能加载

硬件控制系统主要包括核心主控系统和外接扩展系统，如图6所示。核心主控系统采用以ArduinoUNO为核心的微控制系统。Arduino UNO是一款基于ATmega328P的开发板，可通过USB外接供电。外接扩展系统主要包括光线传感器、LD3320语音识别模块、LED灯模块。

光线强度作为总控，只有光线暗度和识别预设语音指令同时满足才会点亮LED灯。语音识别出关灯指令，或者未有语音指令但光线强度大于阈值，同样都关闭LED灯，此设计是出于节能考虑，防止早上出门时忘记关灯。

4 结束语

校园文创产品的设计，不是单纯的校园文化的输出，也不是表面的产品创制，更是学校学科水平及创新能力在人才培养领域综合实践和成果展示的平台。3D打印技术融合STEAM教育理念，为师生在文创产品设计和制作中展现才情、体现文化价值提供了无限的可能。本文提供的实例，来源于师生真实的实践，可以为高校或中小学的STEAM教育提供借鉴。