熔融沉积3D打印工艺在花瓶设计中的应用研究

■刘梦梦，朱晓冬，陶毓博，姚 凯，白 鹭 Liu Mengmeng & Zhu Xiaodong & Tao Yubo & Yao Kai & Bai Lu

(1.2.5东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040；3.齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东济南 250353；4.哈尔滨理工大学艺术学院，黑龙江哈尔滨 150080）

随着家居装饰艺术日新月异的发展，家居产品的设计愈发占据主导位置，尤其是家居摆件的不断推陈出新让装饰的细节体现得淋漓尽致。花瓶是体现家居设计细节，烘托装饰氛围、提升生活格调的装饰品之一。3D打印技术的不断普及，为花瓶的创意设计和制造提供了强有力的技术支持。

1 传统的花瓶设计研究

1.1 制造流程及工艺

长期以来，传统的花瓶开发及应用形成了一整套成熟的流程：市场调研、前期计划、图纸设计、打样验证、修改完善、工艺准备、批量投产[1]。这样复杂循环的生产过程成本相对较高，也需要多方位的配合才能达到一个较好的结果。花瓶的设计内容包括：①材料：玻璃、陶瓷、金属、木质、塑料；②造型：圆形、方形与多边形瓶。制造工艺则根据不同的材料与造型方式而大相径庭，大多数花瓶加工方式都要经历运用切削、模塑、铸造等其他复杂数控工艺来制造这些部件，这种制造方式不但成本较高，而且对于极其复杂的结构与造型，这些工艺恐难胜任[2]。

1.2 问题分析

传统的花瓶设计到生产制作出来面临的问题：①制造工艺复杂，耗时耗工，单件产品机械生产制造时，成本较高，材料浪费相对严重；②无法满足客户对于产品的私人订制要求，尤其是对于造型方面的要求，个性化水平低。③束缚设计师对于产品设计丰富的想象力，无法将发散性设计应用于实践表现。

与传统的制造工艺相比较，3D打印技术有着自身独特的优势，能够轻易解决传统方式难以制造复杂的组织结构及外观形态的问题；制作过程简单，设计与打印一体化，不需要额外的拼接及组装，节约了生产成本[3]。

2 3D打印在花瓶设计中的应用

2.1 FDM 3D打 印技术及工作原理

FDM（Fused Deposition Modeling）是一种常用的3D打印方法，也被称为熔融沉积成型。由于桌面级FDM打印设备轻便、价格相对低廉、使用及维护简便，在市场上引起强烈反响[4-5],其成型工艺如图1所示。其工作原理是丝状线材通过传送装置不断送到喷头处，在喷头内经过加热融化，从喷嘴处挤出后粘结到工作台面(热床)，在计算机及切片工具提前预设好的参数控制下进行相关路径打印，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层，层层叠加直至形成整个三维实体的造型[6-8]。

2.2 3D打印设备及材料

本研究用到的打印设备为DIY极光尔沃Z-605s桌面级FDM3D打印机。打印材料是聚乳酸（PLA）线材，直径为1.75mm，颜色为白色，为深圳市艾森迪科科技有限公司所购买，型号为LX175。

2.3 花瓶模型的设计与打印

2.3.1 花瓶模型的设计

前期用的建模工具为犀牛软件（Rhino）,打开软件过后设置并调整相应参数，之后建立三维数据模型，如图2-图4所示。

2.3.2 花瓶模型的打印

把建立完成的三维模型导出保存成STL（Stereo lithography）格式文件，在Cura切片软件工具中进行模型的分层处理，生成打印路径参数,导出可被FDM打印机识别的G-code文件格式，本实验用的是Cura15.04.6版本，如图5-图7所示。

在Cura软件中要对打印速度、打印温度、移动速度、填充密度等参数进行设置与修改，打印设置为速度30mm/s，打印温度为200℃，热床温度为50℃，移动速度为50mm/s。以打印的三组模型为例，图5的打印比例为1:1.25，点击Scale一栏，将ScaleX、ScaleY、ScaleZ的数值改为0.8，那么该花瓶模型的打印尺寸为29.75mm×29.61mm×41.6mm；图6的打印比例为1:2，点击Scale一栏，将ScaleX、ScaleY、ScaleZ的数值改为0.5，那么该花瓶模型的打印尺寸为27.73mm×26.98mm×55.53mm；图7的打印比例为1：2，点击Scale一栏，将ScaleX、ScaleY、ScaleZ的数值改为0.5，那么该花瓶模型的打印尺寸为30.55mm×30.21mm×55mm。

经过FDM 3D打印机不断进行层层叠加，最终打印出的模型如图8-图10所示。

2.4 后期处理

FDM打印是基于材料堆积累加的工艺，受切片设置参数和机器自身打印精度的影响，不免会出现叠加的层纹导致表面粗糙的情况，通过各种物理打磨、化学抛光等后期处理工艺可以得到光滑的表面[9]。后期处理过程如图11所示。

具体操作包括：①拆除花瓶底座支撑，可以用壁纸刀或者纸工刀切开；去除花瓶模型上的支撑残留和毛刺，用剪钳精细剔除。如图12所示。

■图1 FDM成型工艺过程

■图2 涡轮花瓶

■图3 多面体花瓶

■图4 方口曲形花瓶

■图5 涡轮花瓶

■图6 多面体花瓶

■图7 方口曲形花瓶

■图8 涡轮花瓶

■图9 多面体花瓶

■图10 方口曲形花瓶

②拼合粘结，有些模型因为打印过程或者拆除过程中导致部件损坏，需要对其进行粘结。在粘结前需要对两部分进行修剪与打磨使其变得干净，避免误差。本实验用到的胶水是德国的UHU强力胶水，比较适合3D打印模型的拼接。图13所示为花瓶颈部的粘结。

③对模型进行补土，花瓶颈部粘结完毕后，接着要对其进行补土，本实验用到的补土膏材料是原子灰（特点：细腻、附着力强，凝固后硬度大，气味较刺激）。先用LT-1102M高达模型补色笔先对其进行前期的补土填缝，然后再用牙签、雕刻刀剔除多余的土，最后用细砂纸和电磨机进行打磨。图14所示为花瓶模型补土。

④对花瓶模型进行抛光处理，要想使模型表面的纹路及内部空间变得更加光滑，就要用到抛光液（亚克力粘合剂，也叫有机玻璃胶水），主要成分是三氯甲烷混合溶剂。本实验用的是腾铸三维PLA抛光液,将花瓶模型放在装满抛光液的瓶子里浸泡10～15秒，或者直接浇淋在模型上，之后将其放在外面晾干15分钟左右。图15所示为抛光液处理模型经过抛光液处理后的花瓶模型效果（如图16-18）。

⑤自喷漆上色，模型经过打磨补土、表面抛光之后，需要的话就对模型进行上色处理。本实验用到的是三和（SANO）手摇自动喷漆，喷漆之前对模型进行打磨处理，使用之前先晃动罐体约30秒至漆混合均匀，然后每隔3分钟喷上薄薄一层，循环至2-3次即可。图19所示为进行喷漆处理。

2.5 花瓶模型3D打印技术要点分析

在花瓶模型的整个完成过程中，打印的参数设置及打印机的调试非常重要，Cura中STL模型参数的调整以致生成的G代码文件，对最终3D打印的模型质量与精度起着决定性的影响作用。

①在模型导入Cura切片软件后，对模型进行适当比例的调整（Scale：X、Y、Z轴），选择需要的模型打印尺寸与比例要求,因为本实验打印了三个不同造型的花瓶模型,为了统一相似的尺寸,就调整了相对应的比例,最后打印出的模型大小也接近一致。如果按照模型设置的原始比例和尺寸打印，也可能出现最后打印不完整，就会消耗大量材料与时间，这是不必要的浪费；而如果选择打印比例尺寸过小的话，可能最终影响模型表面精度及整体质量。另外值得注意的是，模型在切片软件中摆放的位置与角度的不同（Rotate：水平及立体翻转），这种可以在Cura中预览观察，产生分层效果也是大相径庭的。

②根据模型打印的精度要求和打印机自身性能的差异，合理设置所需的打印参数。不同的3D打印机，各项参数的调整也不一样。为了追求更好的打印效果，本次打印设置为速度30mm/s，打印温度为200℃，热床温度为50℃，移动速度为80mm/s。如果需要打印较为精细且质量较高的模型，一般需调整打印速度、打印温度、移动速度、填充密度等四个参数：①打印速度：若打印速度远快于挤出速度，则会出现材料填充及出料不足，导致打印不连续、断丝等情况发生；反之则会使熔丝堆积在喷头上，导致材料分布不均以及喷头堵塞。②移动速度：即非打印过程中喷头移动速度，成型过程中喷头不出丝单独移动至某一点的过程,一般默认为80mm/s，不超过150mm/s，如果设置过快的话，就会因为衔接不准而导致出现误差。③对于结构复杂、造型悬空的模型，通常需要添加支撑结构；有的模型本身相对复杂，但上下宽度相同，或者下大上小，是不要添加支撑的。支撑添加方式分为自动添加和手动添加，大部分模型添加支撑时都采用自动添加，特定的模型需要手动设置添加[10]。④打印开始前要对打印平台进行调平，以保证模型能较好地附着在打印床上[11-12]。

■图11 后期处理过程

■图12 模型支撑与毛刺去除

■图13 花瓶颈部粘结

■图14 花瓶模型补土

■图15 抛光液处理模型

■图16 涡轮花瓶处理后

■图17 多面体花瓶处理后

■图18 方口曲形花瓶处

■图19 模型喷漆处理

■图20 喷头移动速度图

2.6 熔融沉积3D打印工艺在花瓶设计中的优势分析

2.6.1 个性化定制水平较高

FDM打印技术能将个人关于花瓶造型的设计想法迅速、直接转化成实体模型，设计师的设计思维不再受到生产制造设备及工具的禁锢，即使是复杂的造型与结构也能轻松驾驭，柔性化、定制化特点突出[13-14]。

2.6.2 节省材料，节约生产研发成本

①PLA作为一种绿色材料能够循环得到利用，提高了材料的利用率；单纯的塑料材料其废弃材料无法再循环，势必会增加材料使用成本[15-16]。②可用于定制产品的设计制作，也可以用于批量生产花瓶产品的研发阶段。同时能够做到较高的精度且不用剔除过多的边角料，只需将计算机设计的三维图形通过FDM 3D打印机生成花瓶实物[17-18]。

2.7 结果与分析

熔融沉积3D打印因为填充密度、打印精度参数设置的问题，打印出来的模型相对不是特别精美，需要后期对其表面、内部进行处理如打磨、补土、抛光、上色修饰等，改善其表面、内部质量及光洁度。优化工艺参数，选择合适的后期处理技术，才能更好地提高成型件的质量和精度。

3 结语

熔融沉积3D打印工艺在花瓶设计中的优势是传统制造技术所不能相比的，当然我们也不能忽略其不足，同时也不可能完全替代传统的制造技术，在大批量制造方面，高效低成本的传统减材制造工艺更胜一筹。但不能忽视的是，3D打印技术因其打印便捷、材料环保、成本低廉等优势，在产品设计中的应用愈发成熟及广泛。同时我们也要意识到距离3D打印技术在市场上的全面普及仍有很长的一段路要走。