论3D打印课程教学中的设计与制作技巧

苏嘉明 郭涌 苏慧明

摘要：近年来3D打印技术开始全面普及到大学的课堂当中，为各层次的学生提供了发挥，实现梦想、创意的重要工具，已经越来越受到教育机构的重视。

关键词：3D打印;教学设计;表面处理技巧;FDM打印技术

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0215-02

1 3D打印在高职院校的普及历程及现状

自从2013年以来随着多种打印技术陆续被引进国内并逐步实现了国产化[1]。这些技术主要有：FDM层堆积成型技术、粉末层粘合技术、紫外激光固化技术、激光烧结技术等。由于FDM技术难度相对要求低各种设备零件比较容易在市场上找到所以迅速在各领域普及开来甚至连儿童教育领域也已经开始流行。

2 3D打印技术在高职教育中主要适用于哪些专业

最早应用3D打印技术的专业应该是工业制造、产品设计、珠宝首饰相关专业。环境艺术专业、数字媒体设计与制作专业也是3D打印未来主要针对的专业类型，服装设计专业与广告设计专业现在也有一定的内容及课程可以使用3D打印技术来呈现作品，可以说所有需要将虚拟内容实体化的相关课程都可能涉及到3D打印技术。

3 在3D打印课程当中数字模型的建造是基础

既然3D打印是将虚拟模型变成实体的一种工具，那么数字模型就是基础。生成数字模型是一项严谨而且科学的操作流程，一般对于3D打印技术来说，所使用的数字模型可以分为原型创造以及3D扫描这两种生成方式。

开设3D打印课之前必须开设对应的软件实操课程，这些课程包括rino、pro-e、3Dmax、zbush、autocad、c4d等等。这些软件都可以准确的完成数字三维模型的制作并且也都支持标准的数字模型输出格式，都可以被3D打印软件读取数据并准确定位在打印设备上。

4 在制作三维数字模型时有那些技巧

我现在就以FDM打印机为例，谈谈数字模型中应该要怎样进行结构设计。

（1）首先数字3D模型制作的时候应该考虑被打印模型的结构形式，应该是整体打印还是分拆打印。由于地球重力原因FDM热熔打印方式在没有完全冷却的状态下会向下弯曲，所以必须要考虑模型外形角度问题，假如一个物体中某个面与垂直线的角度小于45度且或悬空，则坍塌。3D打印里面亦如此。虽然在打印材料会有一定的粘附性，但材料也会在没有完全冷却之前因本身的重力而向下坍塌，从而导致打印失败。这也是我们通常所说的45度法则。只有模型结构倾斜度大于45度角在打印的时候才能保证模型不变形，反之则可能出现垮塌现象。如果造型必须要小于45度角可以考虑分拆这部分模型。下面我以3Dmax平台为例看看如何分拆模型。

首先将需要打印的模型类型转换成“多边形”，之后将小于45度的部分分离出来，必须勾选“分离到元素”这个选项。由于主体与分离出来的部分都会存在空缺的面，输出打印的时候会出错，所以我们必须把空缺的面补上，使用多边形下面的“生成面”命令來修补空缺。修补完成后，分拆出来的物体要重新摆放到与主体同一水平面的位置上可以使用“对齐”工具对齐水平面。

为了提高打印效率在制作3D模型上应该尽量采用空心模型，推荐使用“布尔运算”的方式将主体结构掏空然后再实施打印，这样既节省材料也可以提高打印速度。布尔运算的操作有多种方法我用最常用的方法演示一下：

首先参与运算的模型必须是没有破面或者缺失顶点。然后将要布尔运算的物体复制一个副本，并将副本等比例缩小到合适尺寸。缩小比例后的副本需要用“对齐工具”对齐主体中心，接下来使用“复合对象”中的“布尔运算”功能将副本从主体中减去，这样就获得了一个空心物体。

（2）如果选择分拆模型的方式进行打印我们应考虑各分拆模型之间的连接方式。一般连接方式可分为固定式与活动连接两种，固定式就是模型各分拆结构之间不需要活动纯粹是静态连接，这种情况下我们只需要考虑更多的接触面积来粘合模型让打印出来的模型更加牢固通常的方式是用“榫卯结构”。第二种活动连接形式是考虑到模型组装后某些部件可以在一定范围内进行活动，如果这样的话就要考虑活动部件之间的衔接机械构造，这种形式也要求学生有一定物理知识，及机械结构知识，利用塑料的具有一定任性的特点，将需要分拆的部分设计成卡扣形状。

5 根据需要打印物体的不同形态来判断支撑类型

一般来说对于小于45度曲面结构，在打印输出软件都可以自动增加支撑结构，但是自动增加支撑结构前提是打印机使用两种不同的材质，一种是打印材料，另一种是可以通过介质可以去除的支撑材料，如果用一种材料打印可能需要考虑生成支架的方式。

要打印复杂的外形尤其是有空穴结构，就需使用3D软件生成支架，自主设计支架可以避免自动生成支架过于密集。支架之间间距要设计合理，支架底部要有足够的接触面以达到支架的稳固性。同时支架的粗细、外形也应该考虑在节省材料的前提下符合力学结构要求。在3Dmax中多采用内交叉造型的支架，制作过程大致是首先使用“平面图形”line工具在前视图勾画出直接的支架轮廓，这里要注意的是line必须是完全闭合。接下来我们使用“挤出”工具将支架轮廓线挤出一定的厚度放置在需要支撑结构分的下方并与其接触。

6 打印模型的后处理技巧也是3D打印课程中的重点

首先是拆支架的技巧。在打印完成后如果拆除支架又想保护模型表面完整光滑是我们需要训练学生的一门技能，使用同一种材料打印模型，就必须用专用工具来拆支架，拆支架要用鱼嘴钳从支架中部剪切，然后再用细钳从模型曲面上根除支架，对于残留的结构要用打磨机和锉刀对残留在表面的支架根除。

其次是模型表面处理技巧。由于FDM打印精度最高只能做到0.1mm，所以对于复杂曲面结构的表面光滑程度不够，打印完成后模型表面需作后处理。后处理的方法有两种：一种减法，通过丙酮蒸汽溶剂对模型表面蒸烤让其材料溶解自动填平模型表面的缺陷部分，这种方法出来的光滑效果特别好，但模型会丢失部分细节构造，同时丙酮蒸烤会排出有毒气体，操作的人也需要带口罩隔绝有毒气体对人体的伤害。第二种方法是加法，是在模型表面增加涂层覆盖表面缺陷部分。这种方法优点是能保留细节，对人体无害。涂层一般采用粘稠材料，这类材料可以是原子灰、经过混合的石膏粉等。这种方法也有缺点就是工序较为复杂，容易丢失细节，还需要对表面打磨。

综合以上所述在3D打印的基本流程可分为素材采集分析;结构设计;3D数字建模（3D扫描）;分层切片输出;成品打印这5个大环节如图1。

每个环节在实际教学当中应以培养学生掌握技术并动手实操为主的教学模式，在传授模型制作技巧及打印操作技术外，应更多鼓励学生发挥自身创新性、自主研究、探索设计创意与技术的结合，锻炼他们学习做事的恒心、毅力。努力培养他们成为“大国工匠”。

参考文献

[1] 覃杰音.3D打印技术研究现状和关键技术[J].发明与创新-职业教育，2019（02）：72-73.

Design and Making Skill in 3D Print Teaching

SU Jia-ming， GUO Yong， SU Hui-ming

（Guangzhou Institute of  Technology，Guangzhou  Guangdong  510075）

Abstract：In recent years，3D printing technology began to be widely used in university classrooms， providing important tools for students at all levels to play and realize their dreams and creativity， which has been paid more and more attention by educational institutions.

Key words：3D Print;desing of teaching;surface smooth skill;FDM print skill