《产品模型制作》教学中3D打印模型制作流程及优化

胡玉平，张贤富

（1.邵阳学院，湖南 邵阳 422000；2.梧州学院，广西 梧州 543002）

一、3D打印对产品设计专业学生的意义

在地方院校“应用型”技术大学转型的背景下，培养具有较强社会适应能力和竞争力的高素质应用型人才是大势所需，而学生动手能力则是应用型人才的集中体现。就工业设计专业而言，设计能力和造型水平往往在在模型制作面体现得尤为明显，尤其是模型制作质量和制作效率。

（一）有助于提升产品设计专业学生的创新设计能力

在产品设计的传统教学中，由于时间的限制，因此其理论学习和模型制作往往是分开的；再则，由于产品内部结构较为复杂，对于产品的分解，在老师讲解和学生练习环节都只能凭借想象来完成。而3D打印技术可以根据学生的创意数据，快速地将实物模型完整地展现出来，且不会受制于模型复杂的结构。让学生能根据3D打印模型，快速、直观地审视创意方案在三维空间中的实体状态，进而进行方案评估与修正，直至达到要求。这种反复修改的过程不但能拓展学生的思维，提高学生的创造力与想象力，还能提高学生的严谨性与大局观。

（二）有助于提升产品设计专业学生的综合素质，与行业发展同步

在高校工业设计人才培养规划中，基本都开设了《模型制作》课程来提高学生的动手能力和造型表现。现在主流的模型制作包括：石膏模型、ABS模型、木工模型、金属模型、硬质聚氨酯塑料模型等，这些种类的模型在培养工业设计学术的造型能力方面起到巨大的作用。随着3D打印技术的进步，该技术对制造业产生了革命性的意义。由于该技术采用“分层制造，逐层叠加”，无需任何模具、刀具，能快速制造出复杂的产品模型，这对今后提高产品开发效率、降低产品开发成本具有重要的意义，可以预想的将来，3D打印技术在制造业中的运用越来越广泛，并成为业界主流，因此3D打印技术被许多高校的产品设计专业定为《产品模型制作》的核心内容。让学生掌握该技术是时代对工业设计学生专业素质的具体要求，通过提升学生3D打印模型制作能力来提升学生的设计、造型水平，来增强他们的市场适应性，缩短与就业市场之间的差距。

（三）有助于推动产品设计产学研模式的发展

在产品设计人才培养中，与市场需求同步是核心。因此推动专业与产业结合，同步发展是时代和专业发展的必然要求。现在，很多高校都很重视校企合作，创建大量的产学研合作项目和基地，促进大学人才培养和企业发展。

3D打印技术凭借其模型打印的便利、高效，为产-学-研教学模型的展开提供了更为有利的条件。在当前，3D打印设备成本居高不下，许多企业在其投资等方面捉襟见肘，而高校的3D打印设备没有得到充分的运用，因此，两者深度合作将推动产学研教学培养模式的完善和深化。促进高校教育、人才培养与企业发展的共同进步，提高产学研的发展效果。

所以，如何在《产品模型制作》这门课程中，提高学生3D打印模型制作质量和制作速度是该门课程的重要任务。

> 图1 Prismlab400打印机

> 图2 Mcor Arke 彩色纸质打印机彩色纸质模型

> 图3 MakerBot Replicator2桌面打印机

> 图4 Magics修图

> 图5 模型在Baklava中打印

> 图6 打印完成的模型模型细节修补酒精洗模

> 图7 用uv炉紫外线固化3D打印模型后期工具清洗

> 图8 人体器官的3D打印模型制作

二、3D打印技术的发展及主流技术

3D打印技术又叫增材制造技术，起源于19世纪美国人“恩里科·迪尼”用自己发明的打印机，并打印出一栋建筑以及一些其他的产品。此后，3D打印技术快速发展，被广泛运用于人们生产生活的各个领域。目前，3D打印技术已经大量地运用于珠宝首饰设计、衣帽鞋类、工业产品设计、建筑景观制作、工程和施工、汽车制造、航空航天，医疗卫生、教育、地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。因此，以3D打印技术为代表的快速成型技术被看作是引发新一轮工业革命的关键要素。

在具体的技术领域，目前3D打印主要有三种技术类型，即：SLA技术型、LOM技术型、FFF技术型。

（一）SLA技术型

SLA技术型也叫光固化成型，主要材料光敏树脂，代表机型是Prismlab400（图1）。Prismlab400是一款极具突破性的3D打印机，它采用立体光固化成型技术，具有四大开创性特色：其一，成型速度比国内外同类SLA设备快5-10倍；其二，每小时输出能力是国内外同类SLA设备的10倍以上；其三，能够在400毫米级别上实现66微米的成型精度；其四，同时具有设备及光固化树脂的研发和生产能力。目前已在创意设计、教育业、珠宝业、医疗业等精密工业市场全面应用。成型面积为215毫米×384毫米之大，可以全平面一次曝光，其曝光速度达到了11秒/层，极限速度可达到每小时3119克的固化能力。该款机型耗材浪费率低，打印的模型精度高，表面光滑，后期可上色。

（二）LOM技术型

LOM技术型也是分层实体制造，主要材料纸、金属膜、塑料薄膜。纸材类的代表机型是Mcor Arke。（图2）

Mcor Arke 3D打印机是目前国内高校首台纸基彩色3D打印，它的最大模型打印尺寸是：184mm×168mm×125mm，能识别“obj、wrl、stl、dae、3mf”五种格式的文件，打印1公分高度约费时六至七小时。模型打印完成后需用特制胶水刷涂纸模表面，待风干后色彩鲜艳。该类LOM成型技术的不足是：材料的利用率不高，材料浪费严重。

（三）FFF技术型

FFF技术型即熔丝制造，主要材料PLA、ABS。典型的代表机型是MakerBot Replicator2 桌面打印机。（图3）

该款打印机是以PLA线材为原料的打印机，耗材直径为1.75毫米，可打印跟耗材同色的模型，支持 STL、 obj、thing、makerbot四种格式的文件，成型最大尺寸：252×199×150毫米。改款机器打印的模型尺寸较小，成型精度较低。

三、3D打印模型制作流程与优化

以上三种典型的打印技术中，Prismlab400机器为代表的SLA成型技术，以其高精度、高速度、成型尺寸大、后期处理方便等特点，在产品模型制作中占据绝对的优势。利用该成型技术制作准确精密的产品模型，其主要的模型制作步骤为：

（一）打印前电脑模型转化和修改

1.模型前期检查及摆放。将待制模型经过一系列前期处理，如模型修复—缩放—三角面片简化—打标签—镂空—打孔—选择底平面—移动默认位置—抬高。

2.Magics生成支撑。具体步骤为：自动—删除多余支撑/修改支撑类型（点/线/块）—2D编辑/修改支撑参数，重建2D/3D—添加支撑，检查是否存在悬空（标记面—创建面—选择支撑类型）—退出支撑模式，保存项目—检查修复信息，手动综合修复—壳体转零件，删除错误壳体—保留最终模型，修复信息壳体尽量为1—移动默认位置，保存stl模型。（图4）

3.在实践的教学中发现，要想提高修图效率，首先，导入Magic软件的模型最好是实体建模软件中创建的模型，如Pro/E，solidworks,UG等软件中转出来的.stl格式文件，一般只需要少数几步的修复就可以达到要求。如果模型是由曲面类软件，如Rhinoceros导出的.stl格式文件，模型会需要更为复杂的修复步骤。模型在Magics打印平台上的摆放方式，尽可能将产品处于“卧式”状态，将最大方向的尺寸放在宽的位置上，避免产品高的位置有大尺寸，否则不利于产品模型的稳定性，并且会延长打印时间。

在模型的初步修复完成后，如果产品建模时没有设定壁厚，则需要抽壳，抽壳的最佳壁厚是2～3mm，既能保证产品的稳固性，又能保证成型的准确性。如果产品是封闭的实体模型，就需要在模型的底部打孔，孔的个数和直径需要依产品的造型而定，原则是在打印完成后，能最快排出产品腔体里的树脂。如果产品是带开口的模型，则不需要打孔的步骤。

接着就可以给模型加支撑了，为了方便打印完成后从平台上铲下模型，加支撑前将摆放好的产品抬高5～10毫米。如果产品模型的高度没有超过15厘米，壁厚没超过2毫米,支撑部分的最佳厚度是0.4毫米。最后，如果产品模型体积较大，壁厚较厚，则需要将支撑加厚到0.5毫米，并通过标记，在自动生成的支撑基础上，手动加上一部分支撑，这样更稳固，提高模型生成的效率，同时可在打印参数上，将单层的曝光时间适当延长，以保证打印的模型能准确成型。

完成上述所有的操作步骤后，最后还需要对模型进行一次综合修复，确保零错误后，方导出打印机可识别的.stl格式文件。

（二）转化后模型导入及打印

1. 首先确认机器正常，启动机器，在机器自带的电脑里打开Baklava软件，点击平台复位，如果平台复位不成功，则需要及时给机器补液，复位成功完成后，方可导入之前在Magics里生成的.stl格式文件，然后调整模型摆放位置及数量，确保所有模型都在打印平台的打印范围内，选择合适的打印预设，再启动打印任务开始打印。（图5）

2. 在3D模型打印之前，对打印平台复位时要特别注意一个非常重要的页面参数是34932，如果出现这个数值，则需要补充耗材光敏树脂。一般情况下，这个数值保持在3000左右是比较理想的。但是，如果打印的产品体积比较大的情况下，数值可以稍高。打印的时长会随着产品模型高度的增加而增加。打印时，要经常关注机器刮刀的运动情况，如果模型质量和体积较大，需要及时补充树脂，确保机器正常运行。因为一旦出现任何故障，就会停止打印，第二次打印只能从头再来，这样不只会造成时间上的浪费，还会造成昂贵耗材树脂的浪费。

（三）模型的后期处理

1. 打印完成，平台升起，需要用铲刀小心铲出模型，去除支撑，修补细节，并用浓度为95%的工业酒精多次清洗模型直到表面不黏。（图6）

2. 擦除表面酒精及水分，放置UV炉（也可称为紫外光固化剂）利用紫外光固化模型，防止变形、损坏，先反后正各10分钟。（图7）

3. 模型表面打磨。先用打磨设备对模型的表面进行光滑处理，再用空压机将3D打印模型表面灰尘清理干净。所需要的设备如图2、图3、图4所示。

4. 在3D打印模型制作实践中要特别注意；其一，模型打印完成后，打印平台会升起，此时应该尽快将模型从平台下铲出，否则停留的时间过长，没有及时固化的模型会产品严重变形。其二，在修补模型的过程中，最好的修补材料是AB调和胶与树脂的混合物，边修补边用紫外光笔固化，一层一层地修复。其三，产品模型在进UV炉紫外光固化之前，必须要将产品内部的酒精用清水清洗干净，并用气泵将水汽吹干。模型固化完成后，模型会由米白色变成米黄色，将模型置于环境中半个月左右又会恢复成漂亮的米白色。

四、3D打印设备在使用过程中的注意要领

在3D打印模型制作教学中，除了培养学生精确高效地打印模型，还要培养学生科学合理地运用设备，以保证3D打印模型制作课程教学的持续高效进行，昂贵的设备和耗材需要规范地使用，以Prismlab400为例，正确的使用规范如下：

1.3D打印机：开门关门要轻，且在打印过程中不可随意按机器开关，更不能断电，同时不可晃动机器，3D打印的时间一般都比较长，打印最大尺寸高度的模型需要耗时15小时以上；由于机器位置已固定，不可随意移动，移动后，要及时调整刮刀与平台的间隙；同时要随时保持机身干净，如果有树脂溅出，必须及时清理，随时保持打印平台的干净整洁。

2.光敏树脂：树脂要存放在固定地点，且避光、避热，并封好，且不可用闪关灯或强光照射树脂；在试用过程中要带上医用手套进行操作，尽量避免皮肤直接接触树脂；如果皮肤接触到树脂可用肥皂水和清水冲洗；当眼睛接触树脂，则需提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，并立即就医。如果误食入，可饮足量温水，催吐，立即就医。

3.打印室环境：3D打印机和材料要保持在一个恒定的温度环境中（25±3℃），空调常开，且湿度小于40%RH，空气流通；并避强光及可见光，禁止吸烟、明火。

4.日常耗材：还有一些耗材如：浓度95%酒精，医用手套，软刷或毛刷，纱布或无尘布，卷纸或纸巾，砂纸或迷你打磨机，气泵等都要按照正规的使用程序和注意事项进行。

五、3D打印在医疗产品模型制作中的实践

此外，在产品模型制作课程教学中，尝试将3D打印技术应用于人骨和人体器官等医疗产品模型。通过将CT磁共振断层扫描的图像用软件合成立体图，进入Magics软件修图，然后打印成型。人体器官类产品模型可以为外科手术提供病理器官模型，供主治医疗团队进行参考，提高诊断水平，从而在手术中极大地提高手术成功率。人骨模型可进行骨移植手术，造福骨疾病人和有缺陷的人，具有巨大的市场潜力和非凡的意义。（图8）

六、结论

随着科技的发展，3D打印技术的应用可以说是无所不能，并逐渐走入我们的生活，甚至贯穿着我们未来每一天的起居。如衣服、鞋子、精美的珠宝首饰等，都可以通过3D打印技术实现私人订制。因此在高校产品模型制作课程中引入3D打印，这对学生模型制作能力的培养，设计能力的提高，以及未来的就业前景都具有非常重大的意义。■