高校文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與3D打印研究

王泰 肖軍杰 林達(dá)理 文偉力 程光耀 齊元勝

摘要：高校文創(chuàng)產(chǎn)品融合了個性化設(shè)計(jì)、文化內(nèi)涵、美觀實(shí)用、高校特色等諸多元素，對學(xué)校人文精神的發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用。針對當(dāng)前國內(nèi)文化創(chuàng)意產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，以北京印刷學(xué)院為例，研究了文創(chuàng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印融合技術(shù)：采用UG軟件，設(shè)計(jì)了具有筆筒功能、手機(jī)支架、校訓(xùn)等多功能復(fù)合文創(chuàng)產(chǎn)品，然后對數(shù)字模型進(jìn)行分層切片和3D打印，并測試了打印制件的尺寸和表面性能。結(jié)果表明：制件的各向收縮率不同，筆筒圓環(huán)內(nèi)徑收縮率大于外徑收縮率；制件斜面的表面粗糙度要遠(yuǎn)大于垂面和圓環(huán)面的粗糙度。

關(guān)鍵詞：高校；文創(chuàng)產(chǎn)品；3D打印；表面粗糙度；收縮率

中圖分類號：S219.06，TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2020） 12-0066-05

Design and 3D Printing Cultural and Creative Products on Universities

WANG Tai1， XIAO Jun-jie1，2，3，4， LIN Da-li5， WEN Wei-li1，3，4， CHENG Guang-yao1，3，4， Qi Yuan-sheng1，2（1. School of Mechanical and Electrical engineering， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 2. Intelligent Manufacturing Laboratory， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 3. Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 4. Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 5. Zhangzhou Institute of Science and Engineering， Fujian Zhangzhou 363000， China）

Abstract： Cultural and creative products in colleges and universities integrate many elements， such as personalized design， cultural connotation， aesthetic and practical features， etc.， which play a great role in promoting the development of humanistic spirit in colleges and universities. In view of the current development of domestic cultural and creative products industry， taking Beijing Institute of Graphic Communication as an example， the integration technology of digital design and 3D printing cultural and creative products was studied. Firstly， the multi-functional composite cultural and creative product with pen holder function， mobile phone bracket and school motto was designed with UG software. Secondly， the digit model was sliced to layer data and 3D printed to be a manufactured part. Thirdly， the size and surface properties of the manufactured part were measured and analyzed. The results show that the shrinkage ratio of the part is different： the shrinkage ratio of the inner diameter of the pen holder ring is larger than that of the outer diameter； the surface roughness of the inclined surface of the part is larger than that of the vertical surface and the torus.

Keywords： colleges and universities； cultural and creative products； 3D printing； surface roughness； shrinkage ratio

引言

隨著我國進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新時代，文化創(chuàng)意與設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)在第三產(chǎn)業(yè)中的占比越來越高，高校等單位的文創(chuàng)產(chǎn)品市場規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]。高校文創(chuàng)產(chǎn)品是源于高校校園文化，經(jīng)由創(chuàng)意設(shè)計(jì)使之具有市場價值的產(chǎn)品[2]，一般包含個性化設(shè)計(jì)、文化內(nèi)涵、美觀實(shí)用、高校特色等諸多元素，對學(xué)校人文精神的發(fā)展起很大的促進(jìn)作用。

高校文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造為核心[3]：傳統(tǒng)文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、打樣和大貨生產(chǎn)等階段，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長。采用3D打印技術(shù)，可以快速得到文創(chuàng)產(chǎn)品[4]，其技術(shù)原理是將計(jì)算機(jī)繪制的三維模型按Z軸以一定層高切片分成若干層平面數(shù)據(jù)[5]，然后用打印材料將橫截面切片數(shù)據(jù)逐層疊加，最終堆積成完整的物體。3D打印為高校師生的創(chuàng)意構(gòu)思、創(chuàng)新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為物理產(chǎn)品提供了一種新的技術(shù)手段，給文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、制造者和用戶帶來了快速的視覺體驗(yàn)和真實(shí)的觸感感受。

1 高校文創(chuàng)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 高校文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀

設(shè)計(jì)或研發(fā)能夠反映高校自身精神、意向、神韻的文創(chuàng)產(chǎn)品，能對高校品牌形象的樹立起到最直接、最有力的推動作用[6]。國外高校側(cè)重發(fā)展高校文創(chuàng)產(chǎn)品的商業(yè)價值，例如哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)、劍橋大學(xué)等國外高校都開發(fā)出富含學(xué)校特色的文化創(chuàng)意產(chǎn)品，小到戒指、畫冊、校園模型、T恤等，大到自行車、棉外套、羽絨服等，已經(jīng)形成包含項(xiàng)目開發(fā)部、設(shè)計(jì)部、制作部和銷售服務(wù)部等完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)高校文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起步較晚，發(fā)展水平不高，近年來得到了較快的發(fā)展。高校文創(chuàng)產(chǎn)品對于師生而言，不僅是一件物品，更承載了師生對于母校文化的理解和認(rèn)同[7]，是高校特征與文化戰(zhàn)略的一種獨(dú)特表達(dá)形式；高校文創(chuàng)產(chǎn)品逐漸成為師生生活中不可或缺的一部分，是奠定良好教風(fēng)、學(xué)風(fēng)和校風(fēng)的指南針。因此，高校文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是時代發(fā)展和高校文化傳播的內(nèi)在需求和產(chǎn)物[6]。

1.2 3D打印文創(chuàng)產(chǎn)品優(yōu)勢

3D打印因其采用增材制造方式，使得單件零件的生產(chǎn)可以不必拘泥于傳統(tǒng)的模具加工方式，便可快速制作出產(chǎn)品模型，方便靈感的具象化和個性化創(chuàng)意的表達(dá)。設(shè)計(jì)人員無需掌握材料加工等專業(yè)知識即可將靈感快速轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，也可方便快捷地生產(chǎn)出具有多彩外表的創(chuàng)意產(chǎn)品。3D打印技術(shù)為文創(chuàng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了一種便捷高效的技術(shù)手段。

2 創(chuàng)意設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)融合制造

目前國內(nèi)大多數(shù)高校的文創(chuàng)產(chǎn)品還停留在印有學(xué)校校徽的明信片、文化衫等形式[8]，為了設(shè)計(jì)出能夠傳達(dá)北京印刷學(xué)院學(xué)校內(nèi)涵的文化創(chuàng)意產(chǎn)品，通過走訪調(diào)研和頭腦風(fēng)暴等方法，認(rèn)為文創(chuàng)產(chǎn)品需要具備一定的實(shí)用性和文化性：既能融入日常學(xué)習(xí)生活之中，又能引起高校師生的學(xué)校認(rèn)同感和歸屬感，從而對學(xué)習(xí)生活起到內(nèi)化和激勵作用，更好地發(fā)揮高校文創(chuàng)產(chǎn)品的文化價值。采用UG NX 11.0軟件，將“守正出新，篤志敏行”的學(xué)校校訓(xùn)融入到筆筒、手機(jī)平板支架的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出具有筆筒功能、手機(jī)平板支座、校訓(xùn)等多功能的文創(chuàng)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)的數(shù)字模型見圖1。筆筒支架造型簡潔大方，支架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，斜面上的校訓(xùn)位置顯著醒目，起到了很好的文化傳播功能；同時，文創(chuàng)產(chǎn)品的復(fù)合創(chuàng)新結(jié)構(gòu)大大提高了桌面空間的利用率。

3D打印方案選取PLA材料的融熔沉積工藝進(jìn)行制造，打印設(shè)備采用北京匯天威科技有限公司生產(chǎn)的型號為HORI H2D的3D打印機(jī)[9]，打印材料選擇PLA絲狀卷材。將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為.stl格式的三維模型，然后導(dǎo)入到切片軟件Modellight中，選擇雙色打印模式，設(shè)置打印參數(shù)：層高為0.2mm，填充率為 10%，外殼打印速度為50mm/s，打印頭工作溫度為210℃，底墊選擇防翹邊底墊，支撐結(jié)構(gòu)選擇線型完全支撐模式，其它參數(shù)設(shè)為默認(rèn)。對切片模型進(jìn)行3D打印軌跡預(yù)覽，觀察噴頭打印軌跡的合理性和正確性，優(yōu)化打印軌跡，生成切片數(shù)據(jù)。將切片數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)，進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)置，等待塑料噴頭和支撐平臺預(yù)熱完成后開始3D打印，塑料熔絲沉積過程如圖2所示。

3 打印制件性能探究

對于文創(chuàng)產(chǎn)品而言，因結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求不高，僅對其幾何誤差和表面質(zhì)量做實(shí)驗(yàn)分析：測試制件的尺寸收縮率和表面粗糙度。3D打印的文創(chuàng)產(chǎn)品制件如圖3所示，其中，A面為筆筒部分內(nèi)側(cè)圓柱面，B面為筆筒部分外側(cè)圓柱面，C面為支架X向側(cè)垂面，D面為支架斜面，E面為支架Y向直垂面。

采用上海恒量電子數(shù)顯卡尺對制件三維尺寸進(jìn)行測量，將測量數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行均值化處理。處理結(jié)果如表1所示。

依據(jù)公式：

式中，η為收縮率；l0為設(shè)計(jì)尺寸，mm；la為測量尺寸均值，mm。

采用式（1）計(jì)算制件的尺寸收縮率，繪出制件在不同方向的收縮率，其結(jié)果如圖4所示。

表1的測試結(jié)果顯示：X向和Y向的收縮率為0.3%左右，收縮率較小，同時，可以采用數(shù)字模型縮尺方法解決尺寸問題，因此可以滿足文創(chuàng)產(chǎn)品制作的尺寸需求。Z向?qū)嶋H尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸，一方面是上下兩面表面粗糙度比較大，使測量結(jié)果偏大；另一方面是打印物體底部的封印層與防翹邊底墊直接粘連的部分無法剔除干凈[10]。筆筒部分的收縮率說明圓柱面部分的內(nèi)徑收縮率大于外徑收縮率，這可能是由于打印材料在降溫時內(nèi)外圓柱面的收縮應(yīng)力大小和狀態(tài)不同所致。

采用高精度表面光潔度檢測儀器TR200對產(chǎn)品進(jìn)行了制件標(biāo)注表面的粗糙度檢測，測試結(jié)果及均值如表2所示。根據(jù)表2繪制制件標(biāo)注表面的粗糙度圖見圖5。

從圖5可以看出，試件各表面粗糙度大小的變化規(guī)律。首先，制件Y向直垂面表面粗糙度最小，表面成型質(zhì)量最好，其次是X向側(cè)垂面，主要原因是這兩個垂面在逐層打印過程中噴頭只有直線移動。另外，筆筒圓環(huán)部分內(nèi)外表面的表面粗糙度水平相近，其原因是相比于Y向直垂面和X向側(cè)垂面，其成型表面為曲面，曲率相似，噴頭在打印過程中沿X軸和Y軸同時運(yùn)動產(chǎn)生的近似的振動干擾值。最后，表面粗糙度最差的是支架斜面，其原因是打印斜面的每一層時，噴頭相對于制件不僅需要沿Z軸提升一個層高，還要根據(jù)斜面的傾斜角度進(jìn)行側(cè)向偏移，形成如階梯狀的非光滑斜面，因此斜面的表面粗糙度最大。

4 結(jié)論

采用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)具有復(fù)合功能的高校文創(chuàng)產(chǎn)品，并通過3D打印技術(shù)快速制造出來，實(shí)現(xiàn)了高校文創(chuàng)產(chǎn)品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造一體化快速研發(fā)；測試了制件的收縮率和表面粗糙度，結(jié)果表明：3D打印制件的各向收縮率不同，X向和Y向尺寸收縮率較小，Z向由于上下兩面粗糙度較大，所以收縮率為負(fù)，圓柱面部分內(nèi)徑收縮率大于外徑收縮率；3D打印制件各表面的粗糙度不同，斜面的表面粗糙度大于垂面和圓環(huán)面，垂面的表面粗糙度略小于圓環(huán)面。

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