基于3D打印技術的工業產品造型設計與研究

樊 佳

(廣東省理工職業技術學校，廣東 廣州 510500)

0 引言

工業產品在我們的現代日常生活中隨處可見，如燈具、手機支架、收納盒、鐘表等一些日常用品或者一些小型的電子產品。隨著科技的發展和人們物質生活水平的提高，人們對工業產品的需求已不僅僅滿足于產品的使用價值，而更傾向于自身精神層面的審美需求，即對產品外觀造型的鮮明個性化、趣味創意性等方面的追求。傳統的工業產品設計開發過程極為繁瑣，設計制作周期長，產品結構、色彩較為單一，設計成本高,因此，很難達到人們對于產品的審美需求。而3D打印技術的出現，正好解決了這個傳統加工制造業難以達到的要求。

目前，3D打印技術以其具有的數字化、智能化、個性化優勢特點，被廣泛應用到工業制造、生物醫學、建筑工程、教育教學等各個行業領域，并發揮著巨大的作用。本文以電子時鐘的創意設計為例，讓大家清晰地了解利用3D打印技術如何進行個性化的工業產品造型設計與制作。

1 基于3D打印技術的工業產品造型設計與制作過程

本次項目開展所使用的三維建模軟件為中望公司的3D One Plus軟件，3D打印機設備使用HORI E3打印機，此款打印機適用的材料為PLA塑料，材料的顏色有紅、藍、黃、綠、白色等，最大打印尺寸為250 mm×150 mm×350 mm，打印精度為0.1 mm。

根據3D打印機設備的加工特點，同時也為了確保模型制作的可實施性，本項目將以電子時鐘為主題，利用3D打印技術對電子時鐘進行創意設計與制作。

1.1 電子時鐘外殼的創意設計與三維模型的繪制

1.1.1 利用三維掃描儀獲取電子時鐘電路板的點云數據

電子時鐘外殼結構的基本功能是將電路板(見圖1)進行定位裝配，所以電子時鐘外殼的基本結構尺寸是根據電路板的尺寸結構來確定的。然而在實踐過程中發現，電路板上有很多凹凸不平的細節結構，如果直接測量電路板實物尺寸結構，得到的尺寸數據偏差比較大，最終導致時鐘外殼中定位電路板的結構尺寸也很不準確。因此，首先利用三維掃描儀采集電路板的點云數據，確保電路板上一些較大元件的基本結構尺寸和定位尺寸都準確清晰；然后對采集到的點云數據進行適當的處理，最終得到時鐘電路板的點云數據，建立電路板三維模型，如圖2所示。

圖1 電路板正面結構 圖2 逆向建模的電路板三維模型 圖3 外殼前蓋 圖4 外殼后蓋

1.1.2 根據電路板模型的點云數據確定電子時鐘外殼的基本尺寸

將時鐘電路板模型的點云數據導入到3D One Plus軟件中，根據電路板的模型結構進行外殼結構的基本尺寸設計，同時結合工業產品的結構工藝性分析，將外殼部分分為前蓋(見圖3)和后蓋(見圖4)兩個部分。為了確保電路板的正常裝配，其前蓋和后蓋的基本結構尺寸確定為85.5 mm×85.5 mm×9.2 mm，同時，考慮到3D打印的精度影響以及打印模型的強度，外殼的壁厚定為1.7 mm，其中有4個裝配螺絲孔的位置是依據電子板上的4個孔位確定。

1.1.3 進行電子時鐘外殼的創意設計

在完成了外殼前、后蓋的基本裝配結構尺寸之后，即可在此基礎之上進行結構的創意設計構思。由于本項目實施的3D打印設備為HORI E3打印機，其最大成型尺寸不超過250 mm×150 mm×350 mm，打印精度為0.1 mm，因此在構思時需要考慮這些因素的限制，其他創意設計可自由發揮，在此不再贅述。電子時鐘外殼造型的幾種設計方案如圖5所示。

圖5 電子時鐘外殼造型的幾種設計方案

確定好設計方案之后，在軟件中將文件導出為STL格式，保存即可。

1.2 電子時鐘三維數據的切片處理

外殼的結構方案確定好后，將外殼前蓋和后蓋的三維模型數據STL格式文件導入到切片軟件中進行切片處理。在進行切片處理之前，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選擇平面為底面，與平臺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。

打開HORI 3D打印機提供的配套 Modellight 切片軟件，導入模型，選擇相應的3D打印機型號，接著設置切片參數，預覽模型的模擬切片過程以及切片相關的具體信息，如圖6～圖8所示。確認無誤后，導出切片文件，拷貝入SD卡中進入下一步的打印過程。

圖6 模型數據切片設置的參數

1.3 電子時鐘模型的3D打印

開啟HORI E3 3D打印機，調試好設備之后即可讀取SD卡中數據進行打印。打印過程中模型將會一層一層堆疊成型，此過程的具體操作流程如圖9所示，打印完成后的模型如圖10 所示。

圖9 3D打印過程操作流程

圖10 時鐘打印模型效果

1.4 電子時鐘打印模型的后處理及裝配調試

將打印完成的模型進行后處理，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，涂上丙烯顏料進行上色處理。

圖7 外殼打印參數 圖8 模型切片效果預覽

最后，待模型顏色處理完成后，裝配好前蓋和后蓋，接上電源，最終完成電子時鐘的整個設計與制作過程。方案1的裝配調試效果如圖11所示。

圖11 方案1的裝配調試效果

2 實施過程中發現的問題與改進方法

在本項目的實施過程中發現了一些問題，主要體現在以下幾個方面：

(1)時鐘電路板在進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干凈，有時可能導致焊接好的電路板出現故障，影響了電路板的正常使用。本人認為解決這個問題的方法是需要多制作一塊備用電路板，用于后續電子鐘的裝配。

(2)因采用的是FDM工藝的3D打印設備，因此，打印模型的精度不夠高，打印模型會經常出現表面多絲、燒結等質量問題；同時因打印誤差的影響，也會出現一些裝配件因配合誤差太大，導致裝配不上的問題。對于這些問題，如果條件允許，可以換用一些打印成型精度高的設備，如采用SLA(光固化成型)的成型技術，或者選擇一些ABS塑料等強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準確地了解打印機具體的誤差值，從而在設計三維模型時將打印機的誤差值也考慮進去，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，即當模型表面與垂直面的傾角超過45°時，將會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，實踐過程中發現，支撐材料很難去除的很干凈，同時也大大影響了模型表面的精度。這個問題，對于高端高性能的品牌3D打印機,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的設備，我們只能從設計模型的結構上進行優化，盡量避免設計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部結構，不影響產品的外觀結構即可。

(4)本項目采用的3D打印機，只支持單色PLA材料打印，因此打印模型都只能是單色，導致產品在造型色彩上比較單一。如果用丙烯顏料上色，PLA材料也會出現上色非常不均勻的現象。如果想要改善上色均勻的問題，可能需要配置專業的3D打印模型后處理設備，對打印模型進行細致的打磨拋光處理。

3 結語

3D打印技術已經在慢慢改變著現代人們的生產、生活方式，隨著科學技術的進一步發展，3D打印技術一定會以更高精度、更高效率、更加便捷、更具個性化的特點滲透到人們日漸提高的高品質生活中。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，同時也能夠滿足人們對于個性化彰顯的精神層面的需求。利用3D打印技術進行產品創意設計的過程，不僅能夠有效增強人們的創新意識，同時也鍛煉了人們解決問題，進行創新創意的實踐能力。長遠來說，它甚至能夠推動一個國家的全民科技創新意識和創新能力。