熔融沉積3D打印工藝在花瓶設計中的應用研究

■劉夢夢，朱曉冬，陶毓博，姚 凱，白 鷺 Liu Mengmeng & Zhu Xiaodong & Tao Yubo & Yao Kai & Bai Lu

(1.2.5東北林業大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；3.齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東濟南 250353；4.哈爾濱理工大學藝術學院，黑龍江哈爾濱 150080）

隨著家居裝飾藝術日新月異的發展，家居產品的設計愈發占據主導位置，尤其是家居擺件的不斷推陳出新讓裝飾的細節體現得淋漓盡致。花瓶是體現家居設計細節，烘托裝飾氛圍、提升生活格調的裝飾品之一。3D打印技術的不斷普及，為花瓶的創意設計和制造提供了強有力的技術支持。

1 傳統的花瓶設計研究

1.1 制造流程及工藝

長期以來，傳統的花瓶開發及應用形成了一整套成熟的流程：市場調研、前期計劃、圖紙設計、打樣驗證、修改完善、工藝準備、批量投產[1]。這樣復雜循環的生產過程成本相對較高，也需要多方位的配合才能達到一個較好的結果。花瓶的設計內容包括：①材料：玻璃、陶瓷、金屬、木質、塑料；②造型：圓形、方形與多邊形瓶。制造工藝則根據不同的材料與造型方式而大相徑庭，大多數花瓶加工方式都要經歷運用切削、模塑、鑄造等其他復雜數控工藝來制造這些部件，這種制造方式不但成本較高，而且對于極其復雜的結構與造型，這些工藝恐難勝任[2]。

1.2 問題分析

傳統的花瓶設計到生產制作出來面臨的問題：①制造工藝復雜，耗時耗工，單件產品機械生產制造時，成本較高，材料浪費相對嚴重；②無法滿足客戶對于產品的私人訂制要求，尤其是對于造型方面的要求，個性化水平低。③束縛設計師對于產品設計豐富的想象力，無法將發散性設計應用于實踐表現。

與傳統的制造工藝相比較，3D打印技術有著自身獨特的優勢，能夠輕易解決傳統方式難以制造復雜的組織結構及外觀形態的問題；制作過程簡單，設計與打印一體化，不需要額外的拼接及組裝，節約了生產成本[3]。

2 3D打印在花瓶設計中的應用

2.1 FDM 3D打 印技術及工作原理

FDM（Fused Deposition Modeling）是一種常用的3D打印方法，也被稱為熔融沉積成型。由于桌面級FDM打印設備輕便、價格相對低廉、使用及維護簡便，在市場上引起強烈反響[4-5],其成型工藝如圖1所示。其工作原理是絲狀線材通過傳送裝置不斷送到噴頭處，在噴頭內經過加熱融化，從噴嘴處擠出后粘結到工作臺面(熱床)，在計算機及切片工具提前預設好的參數控制下進行相關路徑打印，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層，層層疊加直至形成整個三維實體的造型[6-8]。

2.2 3D打印設備及材料

本研究用到的打印設備為DIY極光爾沃Z-605s桌面級FDM3D打印機。打印材料是聚乳酸（PLA）線材，直徑為1.75mm，顏色為白色，為深圳市艾森迪科科技有限公司所購買，型號為LX175。

2.3 花瓶模型的設計與打印

2.3.1 花瓶模型的設計

前期用的建模工具為犀牛軟件（Rhino）,打開軟件過后設置并調整相應參數，之后建立三維數據模型，如圖2-圖4所示。

2.3.2 花瓶模型的打印

把建立完成的三維模型導出保存成STL（Stereo lithography）格式文件，在Cura切片軟件工具中進行模型的分層處理，生成打印路徑參數,導出可被FDM打印機識別的G-code文件格式，本實驗用的是Cura15.04.6版本，如圖5-圖7所示。

在Cura軟件中要對打印速度、打印溫度、移動速度、填充密度等參數進行設置與修改，打印設置為速度30mm/s，打印溫度為200℃，熱床溫度為50℃，移動速度為50mm/s。以打印的三組模型為例，圖5的打印比例為1:1.25，點擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數值改為0.8，那么該花瓶模型的打印尺寸為29.75mm×29.61mm×41.6mm；圖6的打印比例為1:2，點擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數值改為0.5，那么該花瓶模型的打印尺寸為27.73mm×26.98mm×55.53mm；圖7的打印比例為1：2，點擊Scale一欄，將ScaleX、ScaleY、ScaleZ的數值改為0.5，那么該花瓶模型的打印尺寸為30.55mm×30.21mm×55mm。

經過FDM 3D打印機不斷進行層層疊加，最終打印出的模型如圖8-圖10所示。

2.4 后期處理

FDM打印是基于材料堆積累加的工藝，受切片設置參數和機器自身打印精度的影響，不免會出現疊加的層紋導致表面粗糙的情況，通過各種物理打磨、化學拋光等后期處理工藝可以得到光滑的表面[9]。后期處理過程如圖11所示。

具體操作包括：①拆除花瓶底座支撐，可以用壁紙刀或者紙工刀切開；去除花瓶模型上的支撐殘留和毛刺，用剪鉗精細剔除。如圖12所示。

■圖1 FDM成型工藝過程

■圖2 渦輪花瓶

■圖3 多面體花瓶

■圖4 方口曲形花瓶

■圖5 渦輪花瓶

■圖6 多面體花瓶

■圖7 方口曲形花瓶

■圖8 渦輪花瓶

■圖9 多面體花瓶

■圖10 方口曲形花瓶

②拼合粘結，有些模型因為打印過程或者拆除過程中導致部件損壞，需要對其進行粘結。在粘結前需要對兩部分進行修剪與打磨使其變得干凈，避免誤差。本實驗用到的膠水是德國的UHU強力膠水，比較適合3D打印模型的拼接。圖13所示為花瓶頸部的粘結。

③對模型進行補土，花瓶頸部粘結完畢后，接著要對其進行補土，本實驗用到的補土膏材料是原子灰（特點：細膩、附著力強，凝固后硬度大，氣味較刺激）。先用LT-1102M高達模型補色筆先對其進行前期的補土填縫，然后再用牙簽、雕刻刀剔除多余的土，最后用細砂紙和電磨機進行打磨。圖14所示為花瓶模型補土。

④對花瓶模型進行拋光處理，要想使模型表面的紋路及內部空間變得更加光滑，就要用到拋光液（亞克力粘合劑，也叫有機玻璃膠水），主要成分是三氯甲烷混合溶劑。本實驗用的是騰鑄三維PLA拋光液,將花瓶模型放在裝滿拋光液的瓶子里浸泡10～15秒，或者直接澆淋在模型上，之后將其放在外面晾干15分鐘左右。圖15所示為拋光液處理模型經過拋光液處理后的花瓶模型效果（如圖16-18）。

⑤自噴漆上色，模型經過打磨補土、表面拋光之后，需要的話就對模型進行上色處理。本實驗用到的是三和（SANO）手搖自動噴漆，噴漆之前對模型進行打磨處理，使用之前先晃動罐體約30秒至漆混合均勻，然后每隔3分鐘噴上薄薄一層，循環至2-3次即可。圖19所示為進行噴漆處理。

2.5 花瓶模型3D打印技術要點分析

在花瓶模型的整個完成過程中，打印的參數設置及打印機的調試非常重要，Cura中STL模型參數的調整以致生成的G代碼文件，對最終3D打印的模型質量與精度起著決定性的影響作用。

①在模型導入Cura切片軟件后，對模型進行適當比例的調整（Scale：X、Y、Z軸），選擇需要的模型打印尺寸與比例要求,因為本實驗打印了三個不同造型的花瓶模型,為了統一相似的尺寸,就調整了相對應的比例,最后打印出的模型大小也接近一致。如果按照模型設置的原始比例和尺寸打印，也可能出現最后打印不完整，就會消耗大量材料與時間，這是不必要的浪費；而如果選擇打印比例尺寸過小的話，可能最終影響模型表面精度及整體質量。另外值得注意的是，模型在切片軟件中擺放的位置與角度的不同（Rotate：水平及立體翻轉），這種可以在Cura中預覽觀察，產生分層效果也是大相徑庭的。

②根據模型打印的精度要求和打印機自身性能的差異，合理設置所需的打印參數。不同的3D打印機，各項參數的調整也不一樣。為了追求更好的打印效果，本次打印設置為速度30mm/s，打印溫度為200℃，熱床溫度為50℃，移動速度為80mm/s。如果需要打印較為精細且質量較高的模型，一般需調整打印速度、打印溫度、移動速度、填充密度等四個參數：①打印速度：若打印速度遠快于擠出速度，則會出現材料填充及出料不足，導致打印不連續、斷絲等情況發生；反之則會使熔絲堆積在噴頭上，導致材料分布不均以及噴頭堵塞。②移動速度：即非打印過程中噴頭移動速度，成型過程中噴頭不出絲單獨移動至某一點的過程,一般默認為80mm/s，不超過150mm/s，如果設置過快的話，就會因為銜接不準而導致出現誤差。③對于結構復雜、造型懸空的模型，通常需要添加支撐結構；有的模型本身相對復雜，但上下寬度相同，或者下大上小，是不要添加支撐的。支撐添加方式分為自動添加和手動添加，大部分模型添加支撐時都采用自動添加，特定的模型需要手動設置添加[10]。④打印開始前要對打印平臺進行調平，以保證模型能較好地附著在打印床上[11-12]。

■圖11 后期處理過程

■圖12 模型支撐與毛刺去除

■圖13 花瓶頸部粘結

■圖14 花瓶模型補土

■圖15 拋光液處理模型

■圖16 渦輪花瓶處理后

■圖17 多面體花瓶處理后

■圖18 方口曲形花瓶處

■圖19 模型噴漆處理

■圖20 噴頭移動速度圖

2.6 熔融沉積3D打印工藝在花瓶設計中的優勢分析

2.6.1 個性化定制水平較高

FDM打印技術能將個人關于花瓶造型的設計想法迅速、直接轉化成實體模型，設計師的設計思維不再受到生產制造設備及工具的禁錮，即使是復雜的造型與結構也能輕松駕馭，柔性化、定制化特點突出[13-14]。

2.6.2 節省材料，節約生產研發成本

①PLA作為一種綠色材料能夠循環得到利用，提高了材料的利用率；單純的塑料材料其廢棄材料無法再循環，勢必會增加材料使用成本[15-16]。②可用于定制產品的設計制作，也可以用于批量生產花瓶產品的研發階段。同時能夠做到較高的精度且不用剔除過多的邊角料，只需將計算機設計的三維圖形通過FDM 3D打印機生成花瓶實物[17-18]。

2.7 結果與分析

熔融沉積3D打印因為填充密度、打印精度參數設置的問題，打印出來的模型相對不是特別精美，需要后期對其表面、內部進行處理如打磨、補土、拋光、上色修飾等，改善其表面、內部質量及光潔度。優化工藝參數，選擇合適的后期處理技術，才能更好地提高成型件的質量和精度。

3 結語

熔融沉積3D打印工藝在花瓶設計中的優勢是傳統制造技術所不能相比的，當然我們也不能忽略其不足，同時也不可能完全替代傳統的制造技術，在大批量制造方面，高效低成本的傳統減材制造工藝更勝一籌。但不能忽視的是，3D打印技術因其打印便捷、材料環保、成本低廉等優勢，在產品設計中的應用愈發成熟及廣泛。同時我們也要意識到距離3D打印技術在市場上的全面普及仍有很長的一段路要走。