基于FDM-3D打印的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)研究

向謙 高慧 王羽佳

摘 要：本文通過對FDM-3D打印的介紹及其在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)中的實(shí)踐教學(xué)研究，使學(xué)生能夠了解FDM-3D打印技術(shù)原理，掌握相關(guān)技術(shù)要素，提升實(shí)踐技能，并最終結(jié)合相關(guān)實(shí)踐教學(xué)提出若干思考。

關(guān)鍵詞：FDM-3D打印;產(chǎn)品模型設(shè)計(jì);實(shí)踐教學(xué)

1 產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的意義

現(xiàn)今，多數(shù)高校都有產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)，在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)構(gòu)思與產(chǎn)品表現(xiàn)集為一體，主要展示產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)、比例、功能、人機(jī)等關(guān)系。學(xué)生經(jīng)過對模型的研討推敲、深化設(shè)計(jì)，最終在產(chǎn)品模型的形態(tài)、色彩、質(zhì)感上予以確定，其真實(shí)感遠(yuǎn)勝于停留在設(shè)計(jì)概念中的想象。由此可見，在產(chǎn)品研發(fā)中，產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)概念的立體化呈現(xiàn)，更具有說明性、可觸性、實(shí)踐性、啟發(fā)性。

2 基于FDM-3D打印技術(shù)的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)

模型研究因材料的不同而制作方法不同，比如常見的石膏模型、油泥模型等。隨著近年來3D打印技術(shù)的成熟，也使其越來越成為產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的重要方法。

FDM技術(shù)是3D打印技術(shù)的一種，也稱之為熔融沉積技術(shù)，常用材料有ABS、PLA等。FDM-3D打印原理是將線狀材料抽入噴頭，通過加熱模塊使線材達(dá)到熔點(diǎn)，擠出細(xì)絲，按照切片模型的程序文件控制噴頭X、Y軸的移動(dòng)完成一層的打印，再控制Z軸的移動(dòng)逐層打印疊加。由于FDM-3D打印的增材制造，不受限于復(fù)雜的曲面和結(jié)構(gòu)，這使得產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)更具有豐富的可能性，人們的創(chuàng)意也更具有發(fā)揮的空間，將大大激發(fā)人們的創(chuàng)造力和想象力。

3 基于FDM-3D打印技術(shù)的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)

實(shí)踐教學(xué)主要是將理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生掌握科學(xué)的方法，成為具有創(chuàng)新精神和高素質(zhì)的職業(yè)人員。基于FDM-3D打印技術(shù)的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)除了培養(yǎng)以上的素質(zhì)外，還應(yīng)該使學(xué)生掌握相關(guān)的實(shí)踐技能。例如：數(shù)字虛擬建模技術(shù)（3DMAX、Rhino等）、3D打印技術(shù)（Crue切片軟件）以及模型表現(xiàn)能力等。

4 基于FDM-3D打印技術(shù)的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)案例

4.1 邁克爾·格雷夫斯的快樂鳥水壺

該作品直徑22cm，高22.5cm，由壺蓋、壺身、壺嘴三部分構(gòu)成，造型簡潔美觀，小鳥的壺嘴增加了作品的趣味性。首先用Rhino建模，確保模型無破面現(xiàn)象，導(dǎo)出STL格式文件。

第一次實(shí)驗(yàn)：在Cura切片軟件里按默認(rèn)參數(shù)值打印，模型頂部出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)分析：壺身基座穩(wěn)定，但把手纖細(xì)，造成頂部容易出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象。打印應(yīng)該減小模型支撐臨界點(diǎn)的角度，以此增加支撐范圍。第二次實(shí)驗(yàn)：將支撐臨界點(diǎn)由默認(rèn)的60度減小至20度，模型打印成功。但在組合時(shí)失敗。經(jīng)分析：由于噴出的線材細(xì)絲無法達(dá)到絕對的光滑，因此在模型表面具有一定的摩擦，導(dǎo)致組件無法組合。打印時(shí)應(yīng)該將需要組合的部分調(diào)至約0.2mm的公差，確保組件相互嵌套不至于無法插入或者松弛。

4.2 飛利浦·斯塔克榨汁機(jī)

該作品尺寸為13.7x11.4x30.5cm，造型源自“章魚”的形態(tài)，曲線優(yōu)美，造型簡潔，給人一種清新、奇特的審美感受，賦予了人們生活的幽默情趣。模型獲取同上。

第一次實(shí)驗(yàn)：直接默認(rèn)切片軟件參數(shù)打印不到10cm的高度出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)分析：“章魚”腳與底座接觸面積過小。應(yīng)縮小模型第一層與底座的距離，使模型與底座粘貼更牢。第二次實(shí)驗(yàn)：在切片軟件中，將專家設(shè)置里的Raft第一懸空間隙調(diào)至0.05mm（第一次實(shí)驗(yàn)為0.2mm）。結(jié)果滑動(dòng)現(xiàn)象解決，但頂部出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)分析：打印高度跟底面接觸面積有一定的關(guān)系，頭重腳輕的模型宜倒立打印，盡量增大模型與底座的接觸面積。第三次實(shí)驗(yàn)：將模型倒立打印，但 “章魚”腳拐角出現(xiàn)局部亂絲。經(jīng)分析：由于默認(rèn)支撐的填充為10%，倒立的“章魚”腳拐角頂點(diǎn)落空。可見模型填充和支撐填充在特殊模型處理上，應(yīng)該區(qū)別設(shè)置。第四次實(shí)驗(yàn)：將支撐填充改為80%，最終打印成功。

由上文可知FDM-3D打印在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)中有以下常見問題：一是支撐臨界點(diǎn)問題。模型需要更多支撐，需將臨界點(diǎn)角度調(diào)小，少用支撐則反之。二是公差問題。模型如需組裝嵌套，則需將接觸部分公差調(diào)整為0.2mm的間隙。三是第一懸空間隙問題。模型接觸面積小，宜減小懸空間隙。四是頭重腳輕問題。宜旋轉(zhuǎn)180度倒立打印，增大底部穩(wěn)定性。五是支撐填充問題。應(yīng)注意模型懸空跟支撐接觸部分的貼合度。

5 基于FDM-3D打印技術(shù)的產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)思考

產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)從過程來說應(yīng)經(jīng)歷設(shè)計(jì)構(gòu)想、數(shù)字建模、3D打印、模型處理四個(gè)步驟。學(xué)生從設(shè)計(jì)構(gòu)想到模型的呈現(xiàn)能夠感受到實(shí)踐帶來的滿足感，更能感受到創(chuàng)意的力量。所以，在實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意，讓創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)實(shí)踐興趣。

近年來隨著編程教育越來越普及化，在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)中，大可介入processing編程技術(shù)和Arduino硬件平臺，結(jié)合FDM-3D打印技術(shù)。一方面使產(chǎn)品更具實(shí)操性，一方面使產(chǎn)品外觀造型更具豐富性，這將大大加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐技能。

6 結(jié)語

本文通過案例的實(shí)驗(yàn)演示，經(jīng)過分析，指出FDM-3D打印技術(shù)在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)中常見的問題，并提供相對的解決對策，使學(xué)生掌握相關(guān)技能。可見實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生不斷實(shí)驗(yàn)，舉一反三，這有利于提高實(shí)踐教學(xué)水平，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，擴(kuò)展學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼（美）. 3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí)[M].中信出版社，2013.

[2] 彭澤湘.產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)[M].湖南大學(xué)出版社，2009.

[3] 俞仲文.高等職業(yè)技術(shù)教育實(shí)踐教學(xué)研究[M].清華大學(xué)出版社，2004.

作者簡介：向謙（1990—），男，湖南岳陽人，中國美院碩士，從事綜合設(shè)計(jì)與理論研究。

高慧，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)講師，從事工業(yè)設(shè)計(jì)教育和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究。