高校文创产品设计与3D打印研究

王泰 肖军杰 林达理 文伟力 程光耀 齐元胜

摘要：高校文创产品融合了个性化设计、文化内涵、美观实用、高校特色等诸多元素，对学校人文精神的发展有巨大的促进作用。针对当前国内文化创意产品产业发展现状，以北京印刷学院为例，研究了文创产品数字化设计与3D打印融合技术：采用UG软件，设计了具有笔筒功能、手机支架、校训等多功能复合文创产品，然后对数字模型进行分层切片和3D打印，并测试了打印制件的尺寸和表面性能。结果表明：制件的各向收缩率不同，笔筒圆环内径收缩率大于外径收缩率；制件斜面的表面粗糙度要远大于垂面和圆环面的粗糙度。

关键词：高校；文创产品；3D打印；表面粗糙度；收缩率

中图分类号：S219.06，TB472 文献标识码：A 文章编号：1400 （2020） 12-0066-05

Design and 3D Printing Cultural and Creative Products on Universities

WANG Tai1， XIAO Jun-jie1，2，3，4， LIN Da-li5， WEN Wei-li1，3，4， CHENG Guang-yao1，3，4， Qi Yuan-sheng1，2（1. School of Mechanical and Electrical engineering， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 2. Intelligent Manufacturing Laboratory， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 3. Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 4. Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities， Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China； 5. Zhangzhou Institute of Science and Engineering， Fujian Zhangzhou 363000， China）

Abstract： Cultural and creative products in colleges and universities integrate many elements， such as personalized design， cultural connotation， aesthetic and practical features， etc.， which play a great role in promoting the development of humanistic spirit in colleges and universities. In view of the current development of domestic cultural and creative products industry， taking Beijing Institute of Graphic Communication as an example， the integration technology of digital design and 3D printing cultural and creative products was studied. Firstly， the multi-functional composite cultural and creative product with pen holder function， mobile phone bracket and school motto was designed with UG software. Secondly， the digit model was sliced to layer data and 3D printed to be a manufactured part. Thirdly， the size and surface properties of the manufactured part were measured and analyzed. The results show that the shrinkage ratio of the part is different： the shrinkage ratio of the inner diameter of the pen holder ring is larger than that of the outer diameter； the surface roughness of the inclined surface of the part is larger than that of the vertical surface and the torus.

Keywords： colleges and universities； cultural and creative products； 3D printing； surface roughness； shrinkage ratio

引言

隨着我国进入高质量发展新时代，文化创意与设计服务业在第三产业中的占比越来越高，高校等单位的文创产品市场规模不断扩大[1]。高校文创产品是源于高校校园文化，经由创意设计使之具有市场价值的产品[2]，一般包含个性化设计、文化内涵、美观实用、高校特色等诸多元素，对学校人文精神的发展起很大的促进作用。

高校文创产业的发展以文创产品的设计制造为核心[3]：传统文创产品的设计制造需要经过设计、打样和大货生产等阶段，产品生产周期长。采用3D打印技术，可以快速得到文创产品[4]，其技术原理是將计算机绘制的三维模型按Z轴以一定层高切片分成若干层平面数据[5]，然后用打印材料将横截面切片数据逐层叠加，最终堆积成完整的物体。3D打印为高校师生的创意构思、创新设计转化为物理产品提供了一种新的技术手段，给文创产品设计者、制造者和用户带来了快速的视觉体验和真实的触感感受。

1 高校文创产品发展现状

1.1 高校文创产品设计制造现状

设计或研发能够反映高校自身精神、意向、神韵的文创产品，能对高校品牌形象的树立起到最直接、最有力的推动作用[6]。国外高校侧重发展高校文创产品的商业价值，例如哈佛大学、耶鲁大学、剑桥大学等国外高校都开发出富含学校特色的文化创意产品，小到戒指、画册、校园模型、T恤等，大到自行车、棉外套、羽绒服等，已经形成包含项目开发部、设计部、制作部和销售服务部等完整的产业链。国内高校文创产业的发展起步较晚，发展水平不高，近年来得到了较快的发展。高校文创产品对于师生而言，不仅是一件物品，更承载了师生对于母校文化的理解和认同[7]，是高校特征与文化战略的一种独特表达形式；高校文创产品逐渐成为师生生活中不可或缺的一部分，是奠定良好教风、学风和校风的指南针。因此，高校文创产业的发展是时代发展和高校文化传播的内在需求和产物[6]。

1.2 3D打印文创产品优势

3D打印因其采用增材制造方式，使得单件零件的生产可以不必拘泥于传统的模具加工方式，便可快速制作出产品模型，方便灵感的具象化和个性化创意的表达。设计人员无需掌握材料加工等专业知识即可将灵感快速转化为实物模型，也可方便快捷地生产出具有多彩外表的创意产品。3D打印技术为文创产品的设计制造提供了一种便捷高效的技术手段。

2 创意设计与3D打印技术融合制造

目前国内大多数高校的文创产品还停留在印有学校校徽的明信片、文化衫等形式[8]，为了设计出能够传达北京印刷学院学校内涵的文化创意产品，通过走访调研和头脑风暴等方法，认为文创产品需要具备一定的实用性和文化性：既能融入日常学习生活之中，又能引起高校师生的学校认同感和归属感，从而对学习生活起到内化和激励作用，更好地发挥高校文创产品的文化价值。采用UG NX 11.0软件，将“守正出新，笃志敏行”的学校校训融入到笔筒、手机平板支架的设计中，设计出具有笔筒功能、手机平板支座、校训等多功能的文创产品，设计的数字模型见图1。笔筒支架造型简洁大方，支架支撑结构设计紧凑，斜面上的校训位置显著醒目，起到了很好的文化传播功能；同时，文创产品的复合创新结构大大提高了桌面空间的利用率。

3D打印方案选取PLA材料的融熔沉积工艺进行制造，打印设备采用北京汇天威科技有限公司生产的型号为HORI H2D的3D打印机[9]，打印材料选择PLA丝状卷材。将数字模型转化为.stl格式的三维模型，然后导入到切片软件Modellight中，选择双色打印模式，设置打印参数：层高为0.2mm，填充率为 10%，外壳打印速度为50mm/s，打印头工作温度为210℃，底垫选择防翘边底垫，支撑结构选择线型完全支撑模式，其它参数设为默认。对切片模型进行3D打印轨迹预览，观察喷头打印轨迹的合理性和正确性，优化打印轨迹，生成切片数据。将切片数据输入3D打印机，进行打印参数设置，等待塑料喷头和支撑平台预热完成后开始3D打印，塑料熔丝沉积过程如图2所示。

3 打印制件性能探究

对于文创产品而言，因结构力学性能要求不高，仅对其几何误差和表面质量做实验分析：测试制件的尺寸收缩率和表面粗糙度。3D打印的文创产品制件如图3所示，其中，A面为笔筒部分内侧圆柱面，B面为笔筒部分外侧圆柱面，C面为支架X向侧垂面，D面为支架斜面，E面为支架Y向直垂面。

采用上海恒量电子数显卡尺对制件三维尺寸进行测量，将测量数据记录并进行均值化处理。处理结果如表1所示。

依据公式：

式中，η为收缩率；l0为设计尺寸，mm；la为测量尺寸均值，mm。

采用式（1）计算制件的尺寸收缩率，绘出制件在不同方向的收缩率，其结果如图4所示。

表1的测试结果显示：X向和Y向的收缩率为0.3%左右，收缩率较小，同时，可以采用数字模型缩尺方法解决尺寸问题，因此可以满足文创产品制作的尺寸需求。Z向实际尺寸大于设计尺寸，一方面是上下两面表面粗糙度比较大，使测量结果偏大；另一方面是打印物体底部的封印层与防翘边底垫直接粘连的部分无法剔除干净[10]。笔筒部分的收缩率说明圆柱面部分的内径收缩率大于外径收缩率，这可能是由于打印材料在降温时内外圆柱面的收缩应力大小和状态不同所致。

采用高精度表面光洁度检测仪器TR200对产品进行了制件标注表面的粗糙度检测，测试结果及均值如表2所示。根据表2绘制制件标注表面的粗糙度图见图5。

从图5可以看出，试件各表面粗糙度大小的变化规律。首先，制件Y向直垂面表面粗糙度最小，表面成型质量最好，其次是X向侧垂面，主要原因是这两个垂面在逐层打印过程中喷头只有直线移动。另外，笔筒圆环部分内外表面的表面粗糙度水平相近，其原因是相比于Y向直垂面和X向侧垂面，其成型表面为曲面，曲率相似，喷头在打印过程中沿X轴和Y轴同时运动产生的近似的振动干扰值。最后，表面粗糙度最差的是支架斜面，其原因是打印斜面的每一层时，喷头相对于制件不仅需要沿Z轴提升一个层高，还要根据斜面的倾斜角度进行侧向偏移，形成如階梯状的非光滑斜面，因此斜面的表面粗糙度最大。

4 结论

采用先进的数字化设计软件设计具有复合功能的高校文创产品，并通过3D打印技术快速制造出来，实现了高校文创产品的创意、设计、制造一体化快速研发；测试了制件的收缩率和表面粗糙度，结果表明：3D打印制件的各向收缩率不同，X向和Y向尺寸收缩率较小，Z向由于上下两面粗糙度较大，所以收缩率为负，圆柱面部分内径收缩率大于外径收缩率；3D打印制件各表面的粗糙度不同，斜面的表面粗糙度大于垂面和圆环面，垂面的表面粗糙度略小于圆环面。

参考文献：

[1]张浩.3D打印的文创产品设计定制化服务研究[J].包装工程，2019，40（14）：1-6.

[2]郑仁思.地域性文创产品的品牌形象定位与视觉化设计原则[J].美术教育研究，2018（06）：54.

[3]Fazhong Hu. Study on the Incubation and Industrialization of Cultural and Creative Products of Colleges and Universities in the Perspective of “Public Entrepreneurship and Mass Innovation”. 2019， 7（7）：368-380.

[4]孔毅.基于3D打印技术在文创产品设计中开发应用[J].设计，2017（10）：134-136.

[5]赵健，刘效朋，王泽武.基于3D打印的PLA材料力学性能研究[J].塑料工业，2020，48（07）：139-143.

[6]马倩.高校文化创意产品的设计价值研究[J].艺术科技，2017，30（01）：65.

[7]何京广.设计创业项目中3D打印校园文创产品的设计研究与实践[D].武汉理工大学，2018.

[8]孙玮.校园文创产品的3D打印新表现研究[J].包装世界，2017（06）：18-20.

[9]王天雨，肖军杰，林达理，程光耀，刘一海，刘磊，朱子鸣.基于3D打印的PLA制件与钢板表面间结合力研究[J].塑料工业，2019，47（03）：123-126.

[10]冉立红，杨郝楠，李梦茹，孙建起，袁赫，李永威.基于PLA材料的3D打印收缩率研究[J].石家庄学院学报，2018，20（03）：26-30.

基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFB1707202）；北京市大学生创新创业训练计划项目（22150118022/111）；北京市优秀人才培养资助项目（2014000020124G109）；北京市教委科技计划面上项目（KM201710015001）；平压平模切机自动输纸收纸装置研制（横向合作项目）。