3D打印技術(shù)工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)探究

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摘要：利用3d打印技術(shù)進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，不僅可以滿足人們對(duì)于產(chǎn)品個(gè)性化、趣味性的追求，同時(shí)也能夠培養(yǎng)人們的科技創(chuàng)新意識(shí)。以電子時(shí)鐘的創(chuàng)意設(shè)計(jì)為例，展示了利用3D打印技術(shù)如何進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作的全過程。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；工業(yè)產(chǎn)品；造型設(shè)計(jì)

0引言

工業(yè)產(chǎn)品在我們的現(xiàn)代日常生活中隨處可見，如燈具、手機(jī)支架、收納盒、鐘表等一些日常用品或者一些小型的電子產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的需求已不僅僅滿足于產(chǎn)品的使用價(jià)值，而更傾向于自身精神層面的審美需求，即對(duì)產(chǎn)品外觀造型的鮮明個(gè)性化、趣味創(chuàng)意性等方面的追求。傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程極為繁瑣，設(shè)計(jì)制作周期長(zhǎng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、色彩較為單一，設(shè)計(jì)成本高，因此，很難達(dá)到人們對(duì)于產(chǎn)品的審美需求。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，正好解決了這個(gè)傳統(tǒng)加工制造業(yè)難以達(dá)到的要求。目前，3D打印技術(shù)以其具有的數(shù)字化、智能化、個(gè)性化優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑工程、教育教學(xué)等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著巨大的作用。本文以電子時(shí)鐘的創(chuàng)意設(shè)計(jì)為例，讓大家清晰地了解利用3D打印技術(shù)如何進(jìn)行個(gè)性化的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與制作。

1基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與制作過程

本次項(xiàng)目開展所使用的三維建模軟件為中望公司的3DOnePlus軟件，3D打印機(jī)設(shè)備使用HORIE3打印機(jī)，此款打印機(jī)適用的材料為PLA塑料，材料的顏色有紅、藍(lán)、黃、綠、白色等，最大打印尺寸為250mm×150mm×350mm，打印精度為0．1mm。根據(jù)3D打印機(jī)設(shè)備的加工特點(diǎn)，同時(shí)也為了確保模型制作的可實(shí)施性，本項(xiàng)目將以電子時(shí)鐘為主題，利用3D打印技術(shù)對(duì)電子時(shí)鐘進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作。

1．1電子時(shí)鐘外殼的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與三維模型的繪制

1．1．1利用三維掃描儀獲取電子時(shí)鐘電路板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。電子時(shí)鐘外殼結(jié)構(gòu)的基本功能是將電路板（見圖1）進(jìn)行定位裝配，所以電子時(shí)鐘外殼的基本結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)電路板的尺寸結(jié)構(gòu)來確定的。然而在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，電路板上有很多凹凸不平的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如果直接測(cè)量電路板實(shí)物尺寸結(jié)構(gòu)，得到的尺寸數(shù)據(jù)偏差比較大，最終導(dǎo)致時(shí)鐘外殼中定位電路板的結(jié)構(gòu)尺寸也很不準(zhǔn)確。因此，首先利用三維掃描儀采集電路板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保電路板上一些較大元件的基本結(jié)構(gòu)尺寸和定位尺寸都準(zhǔn)確清晰；然后對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，最終得到時(shí)鐘電路板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立電路板三維模型，如圖2所示。1．1．2根據(jù)電路板模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定電子時(shí)鐘外殼的基本尺寸。將時(shí)鐘電路板模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3DOnePlus軟件中，根據(jù)電路板的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行外殼結(jié)構(gòu)的基本尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性分析，將外殼部分分為前蓋（見圖3）和后蓋（見圖4）兩個(gè)部分。為了確保電路板的正常裝配，其前蓋和后蓋的基本結(jié)構(gòu)尺寸確定為85．5mm×85．5mm×9．2mm，同時(shí)，考慮到3D打印的精度影響以及打印模型的強(qiáng)度，外殼的壁厚定為1．7mm，其中有4個(gè)裝配螺絲孔的位置是依據(jù)電子板上的4個(gè)孔位確定。1．1．3進(jìn)行電子時(shí)鐘外殼的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。在完成了外殼前、后蓋的基本裝配結(jié)構(gòu)尺寸之后，即可在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)構(gòu)思。由于本項(xiàng)目實(shí)施的3D打印設(shè)備為HORIE3打印機(jī)，其最大成型尺寸不超過250mm×150mm×350mm，打印精度為0．1mm，因此在構(gòu)思時(shí)需要考慮這些因素的限制，其他創(chuàng)意設(shè)計(jì)可自由發(fā)揮，在此不再贅述。電子時(shí)鐘外殼造型的幾種設(shè)計(jì)方案如圖5所示。確定好設(shè)計(jì)方案之后，在軟件中將文件導(dǎo)出為STL格式，保存即可。

1．2電子時(shí)鐘三維數(shù)據(jù)的切片處理

外殼的結(jié)構(gòu)方案確定好后，將外殼前蓋和后蓋的三維模型數(shù)據(jù)STL格式文件導(dǎo)入到切片軟件中進(jìn)行切片處理。在進(jìn)行切片處理之前，首先需要了解FDM（熔融沉積成型）類型的3D打印技術(shù)的模型擺放原則：①模型體積大的一端盡量朝下，避免頭重腳輕；②打開HORI3D打印機(jī)提供的配套Modellight切片軟件，導(dǎo)入模型，選擇相應(yīng)的3D打印機(jī)型號(hào)，接著設(shè)置切片參數(shù)，預(yù)覽模型的模擬切片過程以及切片相關(guān)的具體信息，如圖6～圖8所示。確認(rèn)無誤后，導(dǎo)出切片文件，拷貝入SD卡中進(jìn)入下一步的打印過程。

1．3電子時(shí)鐘模型的3D打印開啟

HORIE33D打印機(jī)，調(diào)試好設(shè)備之后即可讀取SD卡中數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。打印過程中模型將會(huì)一層一層堆疊成型，此過程的具體操作流程如圖9所示。最后，待模型顏色處理完成后，裝配好前蓋和后蓋，接上電源，最終完成電子時(shí)鐘的整個(gè)設(shè)計(jì)與制作過程。方案1的裝配調(diào)試效果如圖11所示。

2實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的問題與改進(jìn)方法

在本項(xiàng)目的實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）時(shí)鐘電路板在進(jìn)行三維掃描前需要噴涂白色顯色劑，掃描完成之后，電路板上的顯色劑非常難清除選擇平面為底面，與平臺(tái)接觸的底面面積盡可能大；③盡量避免模型放置有過多懸空部分。打印完成后的模型如圖10所示。1．4電子時(shí)鐘打印模型的后處理及裝配調(diào)試將打印完成的模型進(jìn)行后處理，首先要利用工具去除模型上的支撐廢料，然后用砂紙或小銼刀打磨模型表面的一些小毛刺，直到手感摸上去光滑即可。如需上色，在打磨完成后涂上3D打印模型磨光液，待模型干燥后，涂上丙烯顏料進(jìn)行上色處理。干凈，有時(shí)可能導(dǎo)致焊接好的電路板出現(xiàn)故障，影響了電路板的正常使用。本人認(rèn)為解決這個(gè)問題的方法是需要多制作一塊備用電路板，用于后續(xù)電子鐘的裝配。（2）因采用的是FDM工藝的3D打印設(shè)備，因此，打印模型的精度不夠高，打印模型會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)表面多絲、燒結(jié)等質(zhì)量問題；同時(shí)因打印誤差的影響，也會(huì)出現(xiàn)一些裝配件因配合誤差太大，導(dǎo)致裝配不上的問題。對(duì)于這些問題，如果條件允許，可以換用一些打印成型精度高的設(shè)備，如采用SLA（光固化成型）的成型技術(shù)，或者選擇一些ABS塑料等強(qiáng)度更高的材料作為打印材料；否則，就只能夠在打印前先詳細(xì)準(zhǔn)確地了解打印機(jī)具體的誤差值，從而在設(shè)計(jì)三維模型時(shí)將打印機(jī)的誤差值也考慮進(jìn)去，這樣打印出來的模型尺寸誤差就能得到有效的控制。（3）FDM工藝在打印過程中遵循一種45°法則，即當(dāng)模型表面與垂直面的傾角超過45°時(shí)，將會(huì)在該表面的底部打印支撐用以支撐此面，確保傾斜面能夠正常打印。支撐材料在打印完成之后，是需要用工具將它從模型的表面剝離去除，實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，支撐材料很難去除的很干凈，同時(shí)也大大影響了模型表面的精度。這個(gè)問題，對(duì)于高端高性能的品牌3D打印機(jī)，將模型材料與支撐材料分別采用兩種不同的材料，打印支撐選用一種水溶性的支撐材料，這種材料溶于水，模型打印完成之后，將打印模型泡入水中，支撐材料即可慢慢溶解得到去除。如果無法更換更先進(jìn)的設(shè)備，我們只能從設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，盡量避免設(shè)計(jì)需要打印支撐的傾斜面，或者將需要打印支撐的表面作為模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不影響產(chǎn)品的外觀結(jié)構(gòu)即可。（4）本項(xiàng)目采用的3D打印機(jī)，只支持單色PLA材料打印，因此打印模型都只能是單色，導(dǎo)致產(chǎn)品在造型色彩上比較單一。如果用丙烯顏料上色，PLA材料也會(huì)出現(xiàn)上色非常不均勻的現(xiàn)象。如果想要改善上色均勻的問題，可能需要配置專業(yè)的3D打印模型后處理設(shè)備，對(duì)打印模型進(jìn)行細(xì)致的打磨拋光處理。

3結(jié)語

3D打印技術(shù)已經(jīng)在慢慢改變著現(xiàn)代人們的生產(chǎn)、生活方式，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)一定會(huì)以更高精度、更高效率、更加便捷、更具個(gè)性化的特點(diǎn)滲透到人們?nèi)諠u提高的高品質(zhì)生活中。它不僅可以高效快捷地幫助人們解決生活中日常用品的需求，同時(shí)也能夠滿足人們對(duì)于個(gè)性化彰顯的精神層面的需求。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)的過程，不僅能夠有效增強(qiáng)人們的創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)也鍛煉了人們解決問題，進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意的實(shí)踐能力。長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，它甚至能夠推動(dòng)一個(gè)國家的全民科技創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

作者:樊佳 單位:廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校