基于3D打印技術的創意水杯設計研究

趙志瑩 潘峰

摘 要：3D打印技術是一種全新的快速成型技術。由于3D打印技術具有較多優勢，所以被廣泛應用于多個領域。本文基于3D打印技術3D One建模軟件展開創意水杯的設計。利用3D打印機Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，對創意水杯名稱信息、水杯吸管、杯身刻度線進行設計打印，并闡明3D打印技術原理和實現過程。

關鍵詞：3D打印;3D One;創意水杯;設計

中圖分類號：TS941.26 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0070-04

Abstract： 3D printing technology is a new rapid prototyping technology. Because 3D printing technology has many advantages， it is widely used in many fields. In this paper， the design of creative water cup was based on 3D One software platform. In addition， using 3D printer Einstart-S and PLA corn starch material， this paper designed and prints the name information of creative water cup， water cup straw and calibration line of cup body， and expounded the principle and implementation process of 3D printing technology.

Keywords：3D printing;3D One;creative water cup;design

科學技術突飛猛進，為生產制造業等行業的發展奠定了基石。19世紀末，美國最早提出3D打印概念。近幾年，3D打印開始盛行于中國國內市場。中國物聯網校企聯盟稱它為“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。如何在現有3D打印技術基礎上培養人們的創新思維是當今社會面臨的一大挑戰。三維立體打印技術的出現給人們提供了學習和實踐的機會、親手設計實現創意的機會以及了解社會發展的機會。

讓思想融入現實，讓創意融入市場，推動社會的發展，為我們的生活帶來便捷與舒適，作為本次創意設計的對象——水杯，通常是人們日常工作和外出時的攜帶品。本文利用目前較為流行的3D打印技術，基于3D One軟件平臺，對水杯名稱、吸管、刻度進行創新設計，利用3D打印機Einstart-S和PLA玉米淀粉材料，親手打印制作了獨一無二的創意水杯。

1 3D打印概述

3D打印是近30年來出現的一種全新的快速成型技術，就是以計算機三維設計模型為藍本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數控成型系統利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細胞組織等材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品[1]。這一技術被譽為新時代的工業革命。

3D打印技術在這30年的研發過程中取得了巨大的突破，能在一定程度上取代傳統加工工藝中的機械加工及開模制造等制造工序，同時能解決一些傳統工藝無法處理的技術難題，極大地縮減了加工時間和加工成本，是如今各國重點發展的領域之一。

2 水杯創意概述

3D打印技術首先是利用動畫建模軟件建模，然后將建成的模型切片，將每層截面的數據信息傳遞給3D打印機。在打印過程中，這些切片逐層附加，通過黏合劑黏合切片，最后制造出完整的固態物質。3D打印技術材料成本低、生產周期短、易用，因而被廣泛用于各行各業。本文主要對創意水杯名稱信息、水杯吸管、杯身刻度線三部分進行創意設計。

①創意水杯設計固定吸管。利用3D打印技術在水杯杯口位置設計固定吸管，在杯底內壁留有進水口，在杯頂沿留有喝水口或喝水管，取代了另加吸管的麻煩。

②創意水杯增加了杯身刻度線。通過3D打印技術，設計打印出刻度線，可度量杯子中水的容量，能夠隨時量取實時水量、剩余水量和喝掉的水量。

③創意水杯設計名稱信息。通過3D One軟件，設計出自己想用的名稱和名字，便于區分物主、制定用處或宣傳利用。

④熟悉創意水杯3D打印程序。3D打印技術原理，與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

3 3D打印原理及打印流程

3.1 3D打印原理

3D打印技術是快速成型技術中的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印是添加劑制造技術的一種形式。在添加劑制造技術中，三維對象是通過連續的物理層創建出來的。3D打印機就是可以“打印”出真實3D物體的一種設備，功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統的去除材料加工技術完全不同。稱之為“打印機”是參照了其技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

3D 打印存在著許多不同的技術。這些技術的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。3D打印常用的材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍、石膏、鋁、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。使用這些材料不需要生產線就能加工出傳統生產工藝無法加工的形狀復雜的零件。本文中用到的玉米淀粉也可以被拿來制作模具，人們生活中的許多可再生資源都可以被利用，這樣既不會污染環境，還有利于廢物的利用。

3.2 3D打印流程

3D打印機和傳統打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成，且打印原理也是一樣的。3D打印機主要是打印前在電腦上利用建模軟件，如3D one設計了一個完整的三維立體模型，將立體模型數據生成STL文件格式，將立體模型分層切片，然后再進行打印輸出。3D打印流程如圖1所示。

3.2.1 建模。3D建模就是通過三維制作軟件在虛擬三維空間構建出具有三維數據的模型。獲得3D模型主要有3種方法：直接從網上下載模型、通過3D掃描儀逆向工程建模、用建模軟件建模。如果需要進行實物的真實還原，3D掃描儀是個不錯的選擇，其通過獲取物體空間坐標的3D采樣點和色彩信息生成模型，可以快速還原真實物體，但其缺點是操作復雜、價位昂貴。

3.2.2 切片處理。通過三維軟件建立的數據模型一般無法直接導入打印機進行打印，需要經過切片軟件將模型切片并保存為相應格式才能導入打印機進行打印操作。切片實際上就是把3D模型切成一片一片的，設計好打印的路徑（填充密度、角度、外殼等），并將切片后的文件儲存成一種3D打印機能直接讀取并使用的文件格式。一般切片厚度越薄，打印精度越高，不過層數越多，打印耗時也越長。而首層固化時間和每層固化時間則由打印機的光強及材料的性能決定，固化時間越長，則打印耗時越長。然后，再通過3D打印機控制軟件，發送給打印機并控制3D打印機的參數，完成打印。

3.2.3 打印過程。啟動3D打印機，通過數據線、SD卡等方式把STL格式的模型切片得到Gcode文件傳送給3D打印機;同時，裝入3D打印材料，調試打印平臺，設定打印參數。打印機開始工作，材料會一層一層地打印出來，層與層之間通過特殊的膠水進行黏合，并按照橫截面將圖案固定住，最后一層一層疊加，最終將整個模型打印固化出來。

3.2.4 后期處理。3D打印機完成工作后，取出物體，進行后期處理。有時候3D打印出來的物品表面會比較粗糙（如利用SLS金屬打印的物體），打印出來的產品可能與期望值有偏差，這時可以采用3D打印專用筆刀進行毛邊及毛刺的修正，然后再進行拋光。拋光的辦法有物理拋光和化學拋光。除了3DP打印技術可以實現彩色3D打印，其他的一般只可以打印單種顏色。有的時候需要對打印出來的物件進行上色，如ABS塑料、光敏樹脂、尼龍、金屬等，不同材料需要使用不一樣的顏料。如需增大模型的強度和硬度，可把模型放入固化箱內進行二次固化，從而增強模型的強度和硬度，最終制作出所需要的模型。后期處理時需要小心謹慎，以免損壞產品的穩定性。

4 創意水杯3D模型的建立及效果

4.1 建模軟件

3D One是一款專為中小學素質教育開發打造的3D設計軟件，其致力于學生思維能力的提高，以促進創新素質教育的發展。因此，3D One具備簡單易用的程序環境，支持專業級的涂鴉式平面草圖繪制，可進行豐富實用的3D實體設計，提供多種多樣的顯示控制，還能通過內嵌于軟件的社區網站，下載3D打印模型。該軟件界面簡潔、功能強大、操作簡單、易于上手，整合了常用的實體造型和草圖繪制命令，簡化了操作界面和工具欄，實現了3D設計和3D打印軟件的直接連接，并提供豐富的案例庫。3D One的主界面如圖2所示。

4.2 3D建模效果

通過3D One計算機建模軟件，利用圓柱、刻度、標簽等功能設計杯身、杯底、吸管、名稱和刻度，設計出創意水杯模型。效果圖如圖3、4、5所示。

4.3 3D打印機Einstart-S

桌面型3D打印機Einstart-S（見圖6）區別于以往的體型巨大的工業級3D打印機。桌面型3D打印機如它的名字一樣，更為小型輕便，成本也更低，適合個人及個體商戶使用。桌面型3D打印機打印方式為熔絲沉積成型（FDM），打印平臺為亞克力磁吸平臺，可實現多模型同平臺自動布局，方便多模型同時打印。Einstart-S這款機器有獨創的“開機一鍵打印”功能，官方宣稱“10分鐘內即可學會操作3D打印機”。使用該功能可以在短時間內完成自己的第一個3D打印作品，輕松體驗3D打印樂趣。此外，Einstart-S獨創開機一鍵打印、全金屬框架、穩固耐用、原創軟件算法、打印精度0.15mm，經得起考驗。

4.4 實現效果

將STL數據生成為優化的平面打印路徑，安置PLA植物材料，選定顏色，啟動打印機，逐層地打印出來創意水杯實體（見圖7、8）。由此可見，玉米淀粉材料作為原材料制作的水杯，表面較光滑，實物比較堅固，可以作為一種模具制作材料。

5 3D打印技術的影響

5.1 3D打印技術對產品細節設計的影響

3D打印制造模式的誕生意味著制造業向個性化制造模式發展，其突出優勢在于低成本、高效率、制作物體的結構復雜。

產品的設計模型必將隨著時代、科技和人文藝術的發展而更新。隨著3D打印技術的發展與普及應用，產品的生產方式已不再束縛設計者的想象力。外觀再復雜的產品都能通過3D打印機打印出來，且渾然一體。設計者能夠專注于產品形態創意和功能創新。產品造型設計將呈現出多元化趨勢，在技術、經濟、美學、環境、人機等要素中，美學要素越來越被重視。產品造型藝術化表現方式逐漸流行起來，人們對于造型的審美觀也將隨之發生改變。

5.2 3D打印技術對產品設計流程的影響

3D打印技術是產品設計的交流媒介。產品設計流程的平行化越來越受到重視，通過改進產品設計開發流程等手段，并考慮產品生命周期各階段因素，對于后續環節可能出現的問題，要在設計的早期階段就被發現并加以解決，最大程度地避免設計反復，縮短產品設計開發時間。在產品并行設計條件下，產品開發過程的各環節、各要素在可能的情況下同時工作，協同運行。在產品概念設計階段，設計者往往只能借助較為抽象的2D平面圖紙作為可視化媒介來進行方案的設計討論;手工制作的概念草模在一定程度上能夠彌補平面媒介直觀性不強的不足，但在精度、質感、觸感等方面與設計預期都存在較大偏差。而3D打印的應用能夠將精準的概念模型引入設計討論的時間大大提前，產品用戶都能夠直觀地看到和觸摸這些概念模型，比較它們之間的結構、外形和功能的差別與優劣，從而決定哪些產品概念值得繼續下去。3D打印制作的概念模型能夠明確反映出產品概念存在的問題，進而修改設計，重復這個設計迭代過程，直到產品完善為止。

6 結語

3D打印技術制造成本不高，且能夠生產出復雜多變的產品，可以按照客戶的需要進行個性化定制，操作簡單，零交付時間，減少庫存，用戶可自己購買使用。3D打印技術種種不可替代的優勢，會讓更多人愿意去嘗試。通過創意水杯設計與實物打印，首先了解創意水杯3D打印技術原理，熟悉了3D打印制作流程和打印程序，將3D打印技術應用到了日常生活中。其次，熟悉3D One建模軟件的功能和使用方法，以及操作步驟、格式保存等注意事項，體驗了建模過程。讓人們充分了解了3D打印的流程，及如何利用軟件等工具真正為自己服務。正是3D打印技術的出現，使人們生活中出現的靈感創意可以實現。最后，學會了利用3D打印技術設計實現創意水杯，真正感受到3D打印技術的魅力所在，受益匪淺。

參考文獻：

[1]宋建宇.3D打印技術發展歷史與實現流程簡介[EB/OL]（2016-04-09）[2019-02-01].https：//mp.weixin.qq.com/s？__biz=MzA4OTYzMzY5MA%3D%3D&idx=1&mid=403069217&sn=6eaae7a4bdfce7cf382eab3020d5368d.