基于FDM工藝的3D打印技術在文創產品原型設計中的應用研究

劉 江 長沙師范學院美術與設計學院

在文化復興成為國家戰略的背景下，我國的文化創意產業得到了迅速發展。文化創意產品作為文化元素的重要載體，在傳統文化的傳承與傳播中發揮著重要作用。如何將傳統文化元素與現代設計相融合，以符合現代人的審美和實用需求，成為文創產品設計的重點。隨著新材料、新工藝和新技術的不斷進步，現代設計方法也越來越多樣化。3D打印技術在現代設計中的廣泛應用，有效地提升了產品造型設計的創意性和可行性，可以縮短設計周期且降低研發成本，在產品創意設計中發揮越來越重要的作用。

一、3D打印技術與FDM工藝

3D打印技術也稱為增材制造，是一種快速成型技術。3D打印的技術原理是把一個利用逆向工程三維掃描或計算機輔助設計等方法制作完成的三維數字模型，依據不同的3D打印工藝類型，經過專門的切分軟件將建立的模型分散成一系列有序的二維單元，一般在Z軸方向上根據厚度及精度數據要求進行分層，把三維數字模型切分成一系列的二維切片，然后根據每一層的輪廓數據信息，輸入需要的加工參數，生成加工程序代碼，最后經由快速成型硬件系統將零件自動打印成型，從而得到一個三維物理模型。依靠該技術可以快速制作相對復雜的實體模型，而且成型的過程中無須模具的輔助，因此3D打印與傳統的鑄造、注塑、機械加工等生產方式相比，更容易適應產品設計的快速迭代和造型變化，可以縮短產品開發周期，降低設計開發成本。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling），簡稱 FDM工藝，是3D打印技術的一種工藝類型。熔融沉積成型的工藝原理是利用熱熔性的絲狀材料在3D打印設備可編輯邏輯控制器的控制下逐層堆積成型，成型材料由供絲機構送至噴頭組件，并在噴頭中加熱至熔融態。加熱噴頭在控制系統指令（Gcode代碼）下沿著零件截面輪廓和內部軌跡運動，同時將半流動狀態的熱熔材料擠出，黏稠狀的成型材料涂覆在工作臺上并迅速冷卻固化后形成一層截面輪廓。當下面一層成型后，噴頭按照代碼數據上升至特定高度，再繼續進行下一層的涂覆，層層堆積后形成三維產品模型。

FDM工藝的硬件設備不需要采用激光，因此這種工藝設備的使用、維護比較便捷，加工成本較低。利用 PLA、ABS、PPSF、PC等高強度的材料成型的產品模型具有較高的精度和強度，能夠制造出功能性零件或產品，可以直接用于產品設計驗證的測試和評估等。鑒于該工藝技術的諸多優點，該技術在產品設計開發中得到了快速發展和廣泛應用。

二、產品原型設計與3D打印技術

產品原型設計是設計創意產品化的重要途徑，也是設計方案可行性驗證和完善的重要過程。在現代產品設計中，計算機輔助設計的廣泛應用，為產品設計提供了更加快捷、高效和多樣化的設計手段，使用計算機輔助手段來繪制各種設計方案圖紙和制作三維數字模型，并利用3D打印技術快速制作出產品模型，通過模擬現實環境來仿真演示出產品的使用場景，極大地方便了設計驗證過程，提升了方案的可行性，也有效地提升了產品的設計質量。

三、FDM工藝在文創產品設計中的應用

（一）應用案例

1.博物館文創產品設計

以彩繪狩獵紋漆樽圖形元素設計的香薰燈具為例，從湖南省博物館館藏文物彩繪狩獵紋漆樽上提取圖形元素（如圖1），將圖形元素進行再設計（如圖2），并應用于香薰產品的外觀造型設計（如圖3），使用FDM工藝3D打印機進行快速成型制作，材質為PLA。

2.博物館文創產品設計

以透雕龍鳳紋重環玉佩圖形元素的燈具設計為例，從廣州西漢南越王博物館館藏文物透雕龍鳳紋重環玉佩上提取圖形元素（如圖4），應用于燈具的外觀造型設計（如圖5），使用FDM工藝3D打印機進行快速成型制作，材質為PLA。

3.湖南地域文化創意產品設計

以江永女書文化元素的燈具設計為例，從湖南江永女書文化中提取設計元素進行圖形創意（如圖6），并應用于燈具產品的外觀造型設計（如圖7），使用FDM工藝3D打印機進行快速成型制作，材質為PLA。

（二）案例問題分析及總結

在上述文創產品原型設計的過程中，設計者利用計算機輔助手段結合FDM工藝3D打印技術制作模型進行設計驗證和可行性分析，在設計考量中要注意以下幾個問題。

1.三維數字模型的壁厚及尺寸

在產品三維數字模型創建中應該注意產品造型的壁厚及尺寸。一般來說，壁厚越大，產品零件的硬度和強度越高，產品模型的尺寸越大，所需最小壁厚也就越大。強度有特殊要求或者應力部位結構，可設計加強筋以增加零件強度。不建議一次性打印極限尺寸模型，因為FDM工藝3D打印在打印尺寸過大、過薄的零件時容易產生翹曲。

2.三維數字模型的組合及拆分

在進行三維數字模型設計的時候，不同的設計者往往會使用不同的設計軟件，因此需要注意建模組合細節。常見的問題點主要集中在三維數字模型組合的自動交叉面、內部交疊面、自交叉表面等位置，如果尺寸設置不合理或者交叉在一起則容易造成“破面”，會影響打印效果甚至無法切分制作G代碼。復雜的產品造型，在建模時應注意進行合理拆分，并注意公差，FDM工藝3D打印的零件拼接件所需間隙一般為0.2mm~0.3mm，模型越大，所需拼接間隙也應越大。

3.三維數字模型的造型細節

建模時，有些細節或者對象比較細微的裝飾件，如浮雕或鐫刻文字（如圖7），需要有足夠大的尺寸，否則無法在3D打印對象上還原。因此需要設計者熟悉3D打印機的打印精度，以及能夠制作的最小尺寸。優化造型細節，參考45度法則以及減少FDM工藝中模型支撐支架的使用，可以讓模型的外觀更加光滑。另外，如果模型底部與打印平臺接觸面積較小，則容易在3D打印過程中造成模型倒塌，因此建議設計底座以確保能成功打印零件。

4.三維數字模型的文件導出格式

在3D打印模型文件的格式中，STL是最常見的文件格式。這種文件格式是以數字建模的三角面作為基礎，這也意味著三維數字模型也將被轉換成一個由三角面組成的模型，大多數的3D建模軟件都能夠輸出STL格式的文件。設置所需的分辨率對打印出一個高質量的模型非常重要，分辨率過高和過低都容易造成3D打印中出現模型效果不佳的問題。

四、結語

隨著科學技術的不斷發展，3D打印這種數字快速成型技術在產品設計中將得到越來越廣泛的應用，而傳統生產制造技術與數字化技術的融合，有力地促進了設計行業的進步。尤其是在制造工藝、材料與方法上的不斷改進，產品設計師的前期方案設計不需要再受造型、結構、模具等復雜因素的制約，可以有更多的時間和精力投入產品的概念設計中，從而提升產品的藝術性和功能性。本案例根據3D打印技術制作文創產品創意造型實例，探索FDM工藝的3D打印技術在產品原型設計中的應用，充分發揮3D打印技術的優勢，促進文化創意產品的開發與人民生產生活的深度融合，為文化創意產業的經濟化、效益化發展提供了技術支持，進一步推進了文化創意設計行業的創新發展。