龔柏茂

(浙江師范大學(xué) 文化創(chuàng)意與傳播學(xué)院,浙江 金華 321004)

隨著科技的發(fā)展，3D打印出現(xiàn)了一些新技術(shù)、新工藝，這些新技藝為設(shè)計領(lǐng)域帶來了全新的革命和旺盛的生命力.與傳統(tǒng)的二維打印相比，3D打印更具備真實性、直觀性和可塑造性等特點.它在給觀眾帶來全新視覺體驗的同時，還為設(shè)計師們提供了廣闊的創(chuàng)意空間和靈感，它讓設(shè)計變得更加豐富多彩、魅力無窮[1].但是，3D打印作為一種新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計領(lǐng)域還需要經(jīng)歷一定階段的摸索才能成功，才能更好地為產(chǎn)品設(shè)計和相關(guān)產(chǎn)業(yè)服務(wù).根據(jù)筆者的實踐經(jīng)驗，在3D打印成形前，必須注意打印前的模型設(shè)置和出樣打印時的參數(shù)調(diào)節(jié).

1 3D打印模型的設(shè)計需求

如今，大部分的設(shè)計離不開設(shè)計軟件，正是得益于設(shè)計軟件，才使設(shè)計行業(yè)披上了飛翔的翅膀.每項設(shè)計的成功推出，背后都是依靠設(shè)計軟件強大的繪圖功能.如汽車制造業(yè)的Alias、工業(yè)設(shè)計的犀牛、影視動畫的maya和3dmax等等.不同行業(yè)使用的軟件大小、類型都各不相同，但通過這些設(shè)計軟件設(shè)計出的三維作品最終都需要轉(zhuǎn)換成適合3D打印機所需的stl文件格式[2].這種stl文件模型是以三角形網(wǎng)格來表現(xiàn)立體模型的，其文件格式是RepetierHost、Model Wizard 等3D打印軟件的通用格式.然而，不是所有的三維軟件最終都能成功地轉(zhuǎn)為stl文件，也不是所有的stl文件都能成功地被打印出來，要實現(xiàn)成功的3D模型打印，在打印之前還必須分清模型的來源和stl文件導(dǎo)出前的參數(shù)校對.

2 3D模型的來源

所謂模型來源，就是為3D打印時提供的設(shè)計圖紙.3D打印的模型最初設(shè)計可以通過任何一個三維軟件制作生成，但主要的模型來源可歸結(jié)為以下3個途徑:1)二、三維軟件設(shè)計出來的建模模型.這里有很多軟件都有這種功能，但比較適合3D打印的建模軟件首推CAD軟件.2)通過三維掃描儀進行實物掃描的模型.一些實物通過高精度的三維掃描儀將實物轉(zhuǎn)化為三維軟件可編輯的數(shù)字模型，將這類模型導(dǎo)入電腦后，使用相關(guān)的三維軟件對其進行處理和再設(shè)計，最終也能生成適合3D打印的模型文件.3)借用網(wǎng)絡(luò)模型資源.通過互聯(lián)網(wǎng)，從網(wǎng)絡(luò)上下載部分已經(jīng)設(shè)計好的三維模型，再對這些模型進行加工設(shè)計和格式轉(zhuǎn)換.

以上3種模型創(chuàng)建方式，都可以通過三維軟件編輯來保證模型數(shù)據(jù)的精確度，但由于RepetierHost、Model Wizard 等3D打印軟件和3D打印機之間協(xié)作的標準文件格式是stl文件，這種stl文件對模型的網(wǎng)格精確度要求非常高，所以對模型的交線、法線等都有嚴格的要求.這也就是說，在某種程度上三維CAD軟件是3D打印中比較好的數(shù)據(jù)模型編輯軟件.因此，建議模型設(shè)計后使用CAD軟件導(dǎo)出stl文件更為穩(wěn)妥[3].

圖1 非流形圖

3 模型導(dǎo)出前的校對

從前面的分析可以知道，不是所有的三維模型最后都能通過3D打印機打印成型，這些模型在最終輸出前還必須校對一些細節(jié)參數(shù),稍有失誤，模型就無法打印或者打印出完全與模型不一樣的形體.所以，在導(dǎo)出前必須注意以下幾個方面的檢查:1)數(shù)字模型必須為封閉模型.這就是說模型的線與面都是相連封閉的，不能出現(xiàn)單一的斷頭和空缺的表面，如果有斷頭線或者某個面破損，模型文件就無法實現(xiàn)3D打印.這些檢查會有一定的難度，尤其是對線與線之間是否連接在一起的檢查.如果實在檢查不出什么問題，最后還可以嘗試使用AccuTrans插件功能——此功能將會為你標記出存在此問題的區(qū)域，從而方便全方位檢查.2)數(shù)字模型自身屬性必須是流形(manifold).這里的“流形”簡單地理解就是模型的網(wǎng)格相交線，這些相交線都是兩個面相交所得.換句話說，就是一個模型網(wǎng)格中存在著多個面共享一條邊線，那么這個數(shù)字模型就是非流形 (non-manifold).如圖1所示模型的4個面相交于一條線，該模型為非流形模型，即不可3D打印的模型.3)檢查模型的法線是否正確，是否統(tǒng)一.在導(dǎo)出模型前必須檢查模型中所有表面的法向是否指向一個正確的方向和統(tǒng)一的方向.如果數(shù)字模型中各表面的法向正反不一，那么3D打印機在打印時就不能辨別模型的表面是內(nèi)部面還是外部面[4].

綜上所述，3D打印的模型設(shè)計與傳統(tǒng)的二維模型設(shè)計有很多不同之處，如果在模型設(shè)計時能把握住以上這些限制，那么3D模型打印就成功了一半.

4 設(shè)計模型輸出時的參數(shù)調(diào)節(jié)

目前，通常使用的3D打印軟件有RepetierHost,Model Wizard 等.根據(jù)個人實踐經(jīng)驗，就以RepetierHost 3D打印軟件為例來詳細分析一項設(shè)計作品在3D打印前所做的基本配置參數(shù)調(diào)節(jié).

1)需要在連接3D打印機的電腦上先安裝RepetierHost上機位軟件.安裝RepetierHost上機位軟件之前需要注意兩點:一是在32位的XP系統(tǒng)環(huán)境下，必須先安裝Net framework支持庫，win7系統(tǒng)不作此要求;二是關(guān)閉相關(guān)的殺毒軟件攔截功能.有了此前提后才可以雙擊setupRepetierHost.exe 文件開始安裝.安裝過程跟其他軟件一樣，根據(jù)個人喜好選擇相關(guān)語言和安裝路徑等.

2)導(dǎo)出設(shè)計模型為stl文件.在相關(guān)的設(shè)計軟件中，將設(shè)計好的三維模型通過保存或?qū)С龅姆绞剑４鏋閟tl文件即可.但是從autoCAD中導(dǎo)出stl文件需注意以下幾個問題：①CAD中輸出的模型必須為三維實體，且XYZ坐標都必須為正值;②在CAD軟件的命令行輸入“faceters”，設(shè)定“faceters”為1～10之間的一個值(值越小模型精度就越低，值越大模型精度就越高)，然后在命令行輸入命令“stlout”,選擇CAD中的實體模型，選擇“Y”，輸入二進制文件，選擇文件名保存即可.

3)設(shè)置RepetierHost上機位軟件的相關(guān)打印參數(shù).將3D打印機器連接，打開RepetierHost軟件.首先點擊右上角的打印機設(shè)置，選擇對應(yīng)的窗口，把波特率調(diào)到115 000以上(波特率即為調(diào)制速率，指信號被調(diào)制以后在單位時間內(nèi)的變化情況，也就是說單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù))，要記得勾選“使用ping-pong通訊”按鈕.接著設(shè)置ABS溫度控制，把“缺省擠出頭溫度”設(shè)置在230～250 ℃之間，“缺省加熱床溫度”設(shè)置在100～120 ℃之間，切記要勾選“任務(wù)中斷結(jié)束后關(guān)閉馬達”的按鈕.如圖2所示.

圖2 RepetierHost設(shè)置面板圖

接著再進行配置切片設(shè)置，找到“切片配置目錄”下的“slic3r目錄”，將此目錄文件復(fù)制到C:usersadministratorappdata oaming替換系統(tǒng)原先自動生成的slic3r文件，然后點擊配置，并查看新生成的配置參數(shù).有了上一步的操作，才可以進行配置代碼生成器.第1步先設(shè)置打印速度，為了安全和準確，最理想的速度是30 mm/s,如圖3所示.第2步設(shè)置耗材.將耗材輸出直徑設(shè)為3 mm，ABS擠出溫度為230 ℃，熱床溫度為110 ℃;PLA擠出溫度為190 ℃，熱床溫度為60 ℃.第3步設(shè)置打印噴嘴.這里根據(jù)個人需要設(shè)置，噴嘴越細精度越高，但對耗材和溫度的要求也越高，一般是系統(tǒng)默認設(shè)置.第4步檢驗設(shè)置是否生效.到代碼編輯器內(nèi)檢查layer_height=0.3;nozzle_diameter=0.4;filament_diameter=1.75,這些設(shè)置是否與原先設(shè)置一致；檢查m190 s110;wait for bed temperature to be reached,m104 s230;set temperature這些溫度設(shè)置是否也和耗材設(shè)置的一致.若這些參數(shù)都一致，則說明配置切片設(shè)置成功，可以進行打印測試.

圖3 切片設(shè)置參數(shù)圖

4)輸入stl文件，進行測試打印.在RepetierHost軟件中選擇輸入文件，找到前面導(dǎo)出的三維模型——stl文件，導(dǎo)入后會在軟件的右下角顯示這個stl文件.再到輸入按鈕的旁邊點擊“連接”，看到連接按鈕變綠后就可以點擊旁邊的“運行任務(wù)”按鈕.按鈕按下后，3D打印機器會根據(jù)前面設(shè)置的參數(shù)進行復(fù)位調(diào)整，這需要幾十秒甚至更長的時間來準備，注意此時別誤以為是設(shè)置失敗而反復(fù)關(guān)閉或再次調(diào)解參數(shù).

5 小 結(jié)

經(jīng)過一番設(shè)計、配置調(diào)整參數(shù)和耐心等待后，設(shè)計模型將會以全方位的真實物體呈現(xiàn)在我們的面前.這是設(shè)計革命的開端，也是3D打印技術(shù)與設(shè)計實踐緊密結(jié)合的成果.但是，設(shè)計軟件仍然是3D打印技術(shù)的核心.從CAM、CAD、二維軟件，到更多的3D軟件，無不是呈現(xiàn)設(shè)計軟件在3D打印技術(shù)中扮演的重要角色.3D打印技術(shù)和設(shè)計軟件的完美組合改變了人類設(shè)計制造產(chǎn)品的方式，展現(xiàn)了新技術(shù)的魅力[5].

參考文獻：

[1]黃健,姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè),2013(1):62-67.

[2]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.

[3]李曉紅.利用3D打印技術(shù)改進設(shè)計過程[J].國防制造技術(shù),2010(3):69-70.

[4]王忠宏,李揚帆,張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫,2013(1):90-93.

[5]殷媛媛.全球3D打印技術(shù)發(fā)展的新趨勢[N].科技日報,2013-06 -02(04).