王宏儀 托婭

摘要：通過建筑STL模型分解、使用多打印頭技術(shù)、PLA材料和PVA水溶性支撐材料提高建筑3D模型的打印尺寸和打印精度。讓3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)能夠更普遍的使用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 3D打印材料 建筑模型打印

3D打印（3D printing），即快速成型技術(shù)的一種，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、工程和施工（AEC）、土木工程以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

由于3D打印技術(shù)在模型制作中的應(yīng)用越來越廣泛，在2014屆建筑專業(yè)畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們跟隨社會(huì)趨勢(shì)，把3D打印技術(shù)帶入學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品表現(xiàn)中來。我們使用的3D打印機(jī)是太爾時(shí)代的up 3D打印機(jī)，在建筑模型3D打印期間發(fā)現(xiàn)了一些問題，也因此有了一些思考。

1 遇到的問題

1.1 打印精度有待提高 因?yàn)榇蛴C(jī)打印提及的制約，我們將建筑模型打印在100*100*150 mm的范圍內(nèi)。在這么小的尺寸里我們要想把模型的細(xì)節(jié)表現(xiàn)出來是很困難的，在建筑設(shè)計(jì)中的一些細(xì)部處理，在打印的時(shí)候沒有辦法很好的表現(xiàn)出來，只能看到一些概括了的輪廓。另外在打印時(shí)因?yàn)锳BS（塑膠原料樹脂）材料的特點(diǎn)，其收縮率較高，打印的模型容易起翹而降低打印精度。

1.2 打印時(shí)間太長(zhǎng) 由于3D打印使用的是逐層打印的方法，因此每一個(gè)建筑模型在軟件中都要分為400層以上，同時(shí)由于打印材料和打印技術(shù)的原因，需要把材料加熱液化后才能打印，而為了保證材料的輸入流暢，不會(huì)中斷，打印機(jī)的材料擠出的速度較慢，這也直接導(dǎo)致打印耗時(shí)非常長(zhǎng)。在我們打印時(shí)，100*100*150 mm大小的模型用normal質(zhì)量進(jìn)行打印的時(shí)間均在6個(gè)小時(shí)以上。

1.3 支撐結(jié)構(gòu)難以去除 由于3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，在對(duì)物體進(jìn)行打印時(shí)，針對(duì)建筑的凹進(jìn)突出部分需要有一定的支撐結(jié)構(gòu)，而市面上大部分打印機(jī)使用的打印材料都是ABS材料，而這種材料在進(jìn)行支撐部分打印的時(shí)候沒有辦法很方便的進(jìn)行取出，往往和物體的主要部分發(fā)生粘連，也間接的影響了打印精度和打印效果。

2 解決辦法

針對(duì)以上的三個(gè)問題，經(jīng)過我們的實(shí)驗(yàn)和3D打印機(jī)廠商技術(shù)指導(dǎo)的不斷溝通，我們發(fā)現(xiàn)可以通過以下方法來進(jìn)行解決：

2.1 打印精度方面：盡量在打印模型是將建筑STL模型分解為幾塊，這樣在就可以避免因?yàn)榇蛴☆^長(zhǎng)距離移動(dòng)而帶來的精度方面都損失。同時(shí)，將模型分解之后，就可以在打印區(qū)域中打印出更大的模型局部，可以表現(xiàn)更多的建筑細(xì)節(jié)。

針對(duì)ABS材料熱脹冷縮的特點(diǎn)，我們可以在打印加熱平臺(tái)上添加耐高溫膠帶，這樣可以讓減少因?yàn)锳BS材料因?yàn)闊崦浝淇s而引起的起翹，讓打印精度得到提高?；蛘咴谥饕牧系倪x擇上，我們可以選擇PLA作為模型打印的主要材料來代替ABS材料。

PLA（物降解塑料聚乳酸）是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等為原料。聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好。最重要的是和ABS材料相比，PLA材料具有更小的收縮比，在更加不容易起翹，材料的穩(wěn)定性也更高。

2.2 打印時(shí)間過長(zhǎng)：因?yàn)楝F(xiàn)階段3D打印技術(shù)的限制，我們沒有太多辦法提高打印機(jī)的打印速度，但是未來3D打印機(jī)將普及應(yīng)用多個(gè)打印頭（2個(gè)以上），因此我們可以使用更多的打印頭來進(jìn)行模型的打印，從而提高打印效率。而現(xiàn)階段我們只能在打印設(shè)置里面去降低打印填充數(shù)和打印精度來提高打印速度。前者會(huì)降低打印強(qiáng)度，后者會(huì)降低打印精度，都只能說是時(shí)間和效果上的一種妥協(xié)。

2.3 更易去除的支撐結(jié)構(gòu)：現(xiàn)階段，小尺寸3D打印機(jī)所使用的支撐材料是不易去除的ABS材料，在雙打印頭普及的今天，如果在輔助材料打印頭中使用PVA材料則可以很好的解決支撐材料不易取出這個(gè)難題。

PVA聚乙烯醇樹脂系列產(chǎn)品系白色固體，無毒無味、無污染，可在80--90℃水中溶解。其水溶液有很好的粘接性和成膜性；能耐油類、潤(rùn)滑劑和烴類等大多數(shù)有機(jī)溶劑；具有長(zhǎng)鏈多元醇酯化、醚化、縮醛化等化學(xué)性質(zhì)，非常適合用于3D打印技術(shù)中作為打印支撐材料。在使用PVA作為支撐材料的3D打印機(jī)中，我們?cè)谀Ｐ痛蛴⊥戤吅笾恍枰獙⒋蛴∧Ｐ头胖糜?0℃的熱水中就可以方便的取出支撐材料，不僅保留了模型的細(xì)節(jié)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了模型支撐結(jié)構(gòu)去除的工作，讓教學(xué)中大量打印建筑模型更加方便。

需要注意的是，在實(shí)際中操作中吸入、攝入或經(jīng)皮膚吸收PVA后會(huì)對(duì)身體有害，對(duì)眼睛和皮膚有醇刺激作用。因此，我們?cè)趯?shí)際操作中應(yīng)提供良好的自然通風(fēng)條件。操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，以避免因PVA原料的使用而對(duì)操作人員造成的損害。

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