胡玉平，張賢富

（1.邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002）

一、3D打印對產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的意義

在地方院?！皯?yīng)用型”技術(shù)大學(xué)轉(zhuǎn)型的背景下，培養(yǎng)具有較強(qiáng)社會適應(yīng)能力和競爭力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才是大勢所需，而學(xué)生動手能力則是應(yīng)用型人才的集中體現(xiàn)。就工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)而言，設(shè)計(jì)能力和造型水平往往在在模型制作面體現(xiàn)得尤為明顯，尤其是模型制作質(zhì)量和制作效率。

（一）有助于提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)教學(xué)中，由于時(shí)間的限制，因此其理論學(xué)習(xí)和模型制作往往是分開的；再則，由于產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于產(chǎn)品的分解，在老師講解和學(xué)生練習(xí)環(huán)節(jié)都只能憑借想象來完成。而3D打印技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生的創(chuàng)意數(shù)據(jù)，快速地將實(shí)物模型完整地展現(xiàn)出來，且不會受制于模型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生能根據(jù)3D打印模型，快速、直觀地審視創(chuàng)意方案在三維空間中的實(shí)體狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行方案評估與修正，直至達(dá)到要求。這種反復(fù)修改的過程不但能拓展學(xué)生的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)造力與想象力，還能提高學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)性與大局觀。

（二）有助于提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，與行業(yè)發(fā)展同步

在高校工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)規(guī)劃中，基本都開設(shè)了《模型制作》課程來提高學(xué)生的動手能力和造型表現(xiàn)?，F(xiàn)在主流的模型制作包括：石膏模型、ABS模型、木工模型、金屬模型、硬質(zhì)聚氨酯塑料模型等，這些種類的模型在培養(yǎng)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)的造型能力方面起到巨大的作用。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)生了革命性的意義。由于該技術(shù)采用“分層制造，逐層疊加”，無需任何模具、刀具，能快速制造出復(fù)雜的產(chǎn)品模型，這對今后提高產(chǎn)品開發(fā)效率、降低產(chǎn)品開發(fā)成本具有重要的意義，可以預(yù)想的將來，3D打印技術(shù)在制造業(yè)中的運(yùn)用越來越廣泛，并成為業(yè)界主流，因此3D打印技術(shù)被許多高校的產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)定為《產(chǎn)品模型制作》的核心內(nèi)容。讓學(xué)生掌握該技術(shù)是時(shí)代對工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的具體要求，通過提升學(xué)生3D打印模型制作能力來提升學(xué)生的設(shè)計(jì)、造型水平，來增強(qiáng)他們的市場適應(yīng)性，縮短與就業(yè)市場之間的差距。

（三）有助于推動產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)學(xué)研模式的發(fā)展

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)中，與市場需求同步是核心。因此推動專業(yè)與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，同步發(fā)展是時(shí)代和專業(yè)發(fā)展的必然要求。現(xiàn)在，很多高校都很重視校企合作，創(chuàng)建大量的產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目和基地，促進(jìn)大學(xué)人才培養(yǎng)和企業(yè)發(fā)展。

3D打印技術(shù)憑借其模型打印的便利、高效，為產(chǎn)-學(xué)-研教學(xué)模型的展開提供了更為有利的條件。在當(dāng)前，3D打印設(shè)備成本居高不下，許多企業(yè)在其投資等方面捉襟見肘，而高校的3D打印設(shè)備沒有得到充分的運(yùn)用，因此，兩者深度合作將推動產(chǎn)學(xué)研教學(xué)培養(yǎng)模式的完善和深化。促進(jìn)高校教育、人才培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展的共同進(jìn)步，提高產(chǎn)學(xué)研的發(fā)展效果。

所以，如何在《產(chǎn)品模型制作》這門課程中，提高學(xué)生3D打印模型制作質(zhì)量和制作速度是該門課程的重要任務(wù)。

> 圖1 Prismlab400打印機(jī)

> 圖2 Mcor Arke 彩色紙質(zhì)打印機(jī)彩色紙質(zhì)模型

> 圖3 MakerBot Replicator2桌面打印機(jī)

> 圖4 Magics修圖

> 圖5 模型在Baklava中打印

> 圖6 打印完成的模型模型細(xì)節(jié)修補(bǔ)酒精洗模

> 圖7 用uv爐紫外線固化3D打印模型后期工具清洗

> 圖8 人體器官的3D打印模型制作

二、3D打印技術(shù)的發(fā)展及主流技術(shù)

3D打印技術(shù)又叫增材制造技術(shù)，起源于19世紀(jì)美國人“恩里科·迪尼”用自己發(fā)明的打印機(jī)，并打印出一棟建筑以及一些其他的產(chǎn)品。此后，3D打印技術(shù)快速發(fā)展，被廣泛運(yùn)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)大量地運(yùn)用于珠寶首飾設(shè)計(jì)、衣帽鞋類、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑景觀制作、工程和施工、汽車制造、航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生、教育、地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領(lǐng)域。因此，以3D打印技術(shù)為代表的快速成型技術(shù)被看作是引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵要素。

在具體的技術(shù)領(lǐng)域，目前3D打印主要有三種技術(shù)類型，即：SLA技術(shù)型、LOM技術(shù)型、FFF技術(shù)型。

（一）SLA技術(shù)型

SLA技術(shù)型也叫光固化成型，主要材料光敏樹脂，代表機(jī)型是Prismlab400（圖1）。Prismlab400是一款極具突破性的3D打印機(jī)，它采用立體光固化成型技術(shù)，具有四大開創(chuàng)性特色：其一，成型速度比國內(nèi)外同類SLA設(shè)備快5-10倍；其二，每小時(shí)輸出能力是國內(nèi)外同類SLA設(shè)備的10倍以上；其三，能夠在400毫米級別上實(shí)現(xiàn)66微米的成型精度；其四，同時(shí)具有設(shè)備及光固化樹脂的研發(fā)和生產(chǎn)能力。目前已在創(chuàng)意設(shè)計(jì)、教育業(yè)、珠寶業(yè)、醫(yī)療業(yè)等精密工業(yè)市場全面應(yīng)用。成型面積為215毫米×384毫米之大，可以全平面一次曝光，其曝光速度達(dá)到了11秒/層，極限速度可達(dá)到每小時(shí)3119克的固化能力。該款機(jī)型耗材浪費(fèi)率低，打印的模型精度高，表面光滑，后期可上色。

（二）LOM技術(shù)型

LOM技術(shù)型也是分層實(shí)體制造，主要材料紙、金屬膜、塑料薄膜。紙材類的代表機(jī)型是Mcor Arke。（圖2）

Mcor Arke 3D打印機(jī)是目前國內(nèi)高校首臺紙基彩色3D打印，它的最大模型打印尺寸是：184mm×168mm×125mm，能識別“obj、wrl、stl、dae、3mf”五種格式的文件，打印1公分高度約費(fèi)時(shí)六至七小時(shí)。模型打印完成后需用特制膠水刷涂紙模表面，待風(fēng)干后色彩鮮艷。該類LOM成型技術(shù)的不足是：材料的利用率不高，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

（三）FFF技術(shù)型

FFF技術(shù)型即熔絲制造，主要材料PLA、ABS。典型的代表機(jī)型是MakerBot Replicator2 桌面打印機(jī)。（圖3）

該款打印機(jī)是以PLA線材為原料的打印機(jī)，耗材直徑為1.75毫米，可打印跟耗材同色的模型，支持 STL、 obj、thing、makerbot四種格式的文件，成型最大尺寸：252×199×150毫米。改款機(jī)器打印的模型尺寸較小，成型精度較低。

三、3D打印模型制作流程與優(yōu)化

以上三種典型的打印技術(shù)中，Prismlab400機(jī)器為代表的SLA成型技術(shù)，以其高精度、高速度、成型尺寸大、后期處理方便等特點(diǎn)，在產(chǎn)品模型制作中占據(jù)絕對的優(yōu)勢。利用該成型技術(shù)制作準(zhǔn)確精密的產(chǎn)品模型，其主要的模型制作步驟為：

（一）打印前電腦模型轉(zhuǎn)化和修改

1.模型前期檢查及擺放。將待制模型經(jīng)過一系列前期處理，如模型修復(fù)—縮放—三角面片簡化—打標(biāo)簽—鏤空—打孔—選擇底平面—移動默認(rèn)位置—抬高。

2.Magics生成支撐。具體步驟為：自動—?jiǎng)h除多余支撐/修改支撐類型（點(diǎn)/線/塊）—2D編輯/修改支撐參數(shù)，重建2D/3D—添加支撐，檢查是否存在懸空（標(biāo)記面—?jiǎng)?chuàng)建面—選擇支撐類型）—退出支撐模式，保存項(xiàng)目—檢查修復(fù)信息，手動綜合修復(fù)—?dú)んw轉(zhuǎn)零件，刪除錯(cuò)誤殼體—保留最終模型，修復(fù)信息殼體盡量為1—移動默認(rèn)位置，保存stl模型。（圖4）

3.在實(shí)踐的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，要想提高修圖效率，首先，導(dǎo)入Magic軟件的模型最好是實(shí)體建模軟件中創(chuàng)建的模型，如Pro/E，solidworks,UG等軟件中轉(zhuǎn)出來的.stl格式文件，一般只需要少數(shù)幾步的修復(fù)就可以達(dá)到要求。如果模型是由曲面類軟件，如Rhinoceros導(dǎo)出的.stl格式文件，模型會需要更為復(fù)雜的修復(fù)步驟。模型在Magics打印平臺上的擺放方式，盡可能將產(chǎn)品處于“臥式”狀態(tài)，將最大方向的尺寸放在寬的位置上，避免產(chǎn)品高的位置有大尺寸，否則不利于產(chǎn)品模型的穩(wěn)定性，并且會延長打印時(shí)間。

在模型的初步修復(fù)完成后，如果產(chǎn)品建模時(shí)沒有設(shè)定壁厚，則需要抽殼，抽殼的最佳壁厚是2～3mm，既能保證產(chǎn)品的穩(wěn)固性，又能保證成型的準(zhǔn)確性。如果產(chǎn)品是封閉的實(shí)體模型，就需要在模型的底部打孔，孔的個(gè)數(shù)和直徑需要依產(chǎn)品的造型而定，原則是在打印完成后，能最快排出產(chǎn)品腔體里的樹脂。如果產(chǎn)品是帶開口的模型，則不需要打孔的步驟。

接著就可以給模型加支撐了，為了方便打印完成后從平臺上鏟下模型，加支撐前將擺放好的產(chǎn)品抬高5～10毫米。如果產(chǎn)品模型的高度沒有超過15厘米，壁厚沒超過2毫米,支撐部分的最佳厚度是0.4毫米。最后，如果產(chǎn)品模型體積較大，壁厚較厚，則需要將支撐加厚到0.5毫米，并通過標(biāo)記，在自動生成的支撐基礎(chǔ)上，手動加上一部分支撐，這樣更穩(wěn)固，提高模型生成的效率，同時(shí)可在打印參數(shù)上，將單層的曝光時(shí)間適當(dāng)延長，以保證打印的模型能準(zhǔn)確成型。

完成上述所有的操作步驟后，最后還需要對模型進(jìn)行一次綜合修復(fù)，確保零錯(cuò)誤后，方導(dǎo)出打印機(jī)可識別的.stl格式文件。

（二）轉(zhuǎn)化后模型導(dǎo)入及打印

1. 首先確認(rèn)機(jī)器正常，啟動機(jī)器，在機(jī)器自帶的電腦里打開Baklava軟件，點(diǎn)擊平臺復(fù)位，如果平臺復(fù)位不成功，則需要及時(shí)給機(jī)器補(bǔ)液，復(fù)位成功完成后，方可導(dǎo)入之前在Magics里生成的.stl格式文件，然后調(diào)整模型擺放位置及數(shù)量，確保所有模型都在打印平臺的打印范圍內(nèi)，選擇合適的打印預(yù)設(shè)，再啟動打印任務(wù)開始打印。（圖5）

2. 在3D模型打印之前，對打印平臺復(fù)位時(shí)要特別注意一個(gè)非常重要的頁面參數(shù)是34932，如果出現(xiàn)這個(gè)數(shù)值，則需要補(bǔ)充耗材光敏樹脂。一般情況下，這個(gè)數(shù)值保持在3000左右是比較理想的。但是，如果打印的產(chǎn)品體積比較大的情況下，數(shù)值可以稍高。打印的時(shí)長會隨著產(chǎn)品模型高度的增加而增加。打印時(shí)，要經(jīng)常關(guān)注機(jī)器刮刀的運(yùn)動情況，如果模型質(zhì)量和體積較大，需要及時(shí)補(bǔ)充樹脂，確保機(jī)器正常運(yùn)行。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)任何故障，就會停止打印，第二次打印只能從頭再來，這樣不只會造成時(shí)間上的浪費(fèi)，還會造成昂貴耗材樹脂的浪費(fèi)。

（三）模型的后期處理

1. 打印完成，平臺升起，需要用鏟刀小心鏟出模型，去除支撐，修補(bǔ)細(xì)節(jié)，并用濃度為95%的工業(yè)酒精多次清洗模型直到表面不黏。（圖6）

2. 擦除表面酒精及水分，放置UV爐（也可稱為紫外光固化劑）利用紫外光固化模型，防止變形、損壞，先反后正各10分鐘。（圖7）

3. 模型表面打磨。先用打磨設(shè)備對模型的表面進(jìn)行光滑處理，再用空壓機(jī)將3D打印模型表面灰塵清理干凈。所需要的設(shè)備如圖2、圖3、圖4所示。

4. 在3D打印模型制作實(shí)踐中要特別注意；其一，模型打印完成后，打印平臺會升起，此時(shí)應(yīng)該盡快將模型從平臺下鏟出，否則停留的時(shí)間過長，沒有及時(shí)固化的模型會產(chǎn)品嚴(yán)重變形。其二，在修補(bǔ)模型的過程中，最好的修補(bǔ)材料是AB調(diào)和膠與樹脂的混合物，邊修補(bǔ)邊用紫外光筆固化，一層一層地修復(fù)。其三，產(chǎn)品模型在進(jìn)UV爐紫外光固化之前，必須要將產(chǎn)品內(nèi)部的酒精用清水清洗干凈，并用氣泵將水汽吹干。模型固化完成后，模型會由米白色變成米黃色，將模型置于環(huán)境中半個(gè)月左右又會恢復(fù)成漂亮的米白色。

四、3D打印設(shè)備在使用過程中的注意要領(lǐng)

在3D打印模型制作教學(xué)中，除了培養(yǎng)學(xué)生精確高效地打印模型，還要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)合理地運(yùn)用設(shè)備，以保證3D打印模型制作課程教學(xué)的持續(xù)高效進(jìn)行，昂貴的設(shè)備和耗材需要規(guī)范地使用，以Prismlab400為例，正確的使用規(guī)范如下：

1.3D打印機(jī)：開門關(guān)門要輕，且在打印過程中不可隨意按機(jī)器開關(guān)，更不能斷電，同時(shí)不可晃動機(jī)器，3D打印的時(shí)間一般都比較長，打印最大尺寸高度的模型需要耗時(shí)15小時(shí)以上；由于機(jī)器位置已固定，不可隨意移動，移動后，要及時(shí)調(diào)整刮刀與平臺的間隙；同時(shí)要隨時(shí)保持機(jī)身干凈，如果有樹脂濺出，必須及時(shí)清理，隨時(shí)保持打印平臺的干凈整潔。

2.光敏樹脂：樹脂要存放在固定地點(diǎn)，且避光、避熱，并封好，且不可用閃關(guān)燈或強(qiáng)光照射樹脂；在試用過程中要帶上醫(yī)用手套進(jìn)行操作，盡量避免皮膚直接接觸樹脂；如果皮膚接觸到樹脂可用肥皂水和清水沖洗；當(dāng)眼睛接觸樹脂，則需提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，并立即就醫(yī)。如果誤食入，可飲足量溫水，催吐，立即就醫(yī)。

3.打印室環(huán)境：3D打印機(jī)和材料要保持在一個(gè)恒定的溫度環(huán)境中（25±3℃），空調(diào)常開，且濕度小于40%RH，空氣流通；并避強(qiáng)光及可見光，禁止吸煙、明火。

4.日常耗材：還有一些耗材如：濃度95%酒精，醫(yī)用手套，軟刷或毛刷，紗布或無塵布，卷紙或紙巾，砂紙或迷你打磨機(jī)，氣泵等都要按照正規(guī)的使用程序和注意事項(xiàng)進(jìn)行。

五、3D打印在醫(yī)療產(chǎn)品模型制作中的實(shí)踐

此外，在產(chǎn)品模型制作課程教學(xué)中，嘗試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于人骨和人體器官等醫(yī)療產(chǎn)品模型。通過將CT磁共振斷層掃描的圖像用軟件合成立體圖，進(jìn)入Magics軟件修圖，然后打印成型。人體器官類產(chǎn)品模型可以為外科手術(shù)提供病理器官模型，供主治醫(yī)療團(tuán)隊(duì)進(jìn)行參考，提高診斷水平，從而在手術(shù)中極大地提高手術(shù)成功率。人骨模型可進(jìn)行骨移植手術(shù)，造福骨疾病人和有缺陷的人，具有巨大的市場潛力和非凡的意義。（圖8）

六、結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以說是無所不能，并逐漸走入我們的生活，甚至貫穿著我們未來每一天的起居。如衣服、鞋子、精美的珠寶首飾等，都可以通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)私人訂制。因此在高校產(chǎn)品模型制作課程中引入3D打印，這對學(xué)生模型制作能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)能力的提高，以及未來的就業(yè)前景都具有非常重大的意義?！?/p>