论文部分内容阅读
摘要：3D打印技术历经五十多年的发展，技术不断成熟，其中对桌面级打印机使用成型技术如FDM、SLS、SLA、3DP等进行对比其优缺点，筛选出合适的教学3D桌面级打印技术。利用3D打印的快速成型技术，在材料选择上对比PLA、ABS、TPU适合学校使用的耗材，结合声、光、电等综合技术，通过制作所在学校代表性建筑的浮雕模型来展示3D打印技术的优势和作品的独特性。作品具备个性化定制，兼具成本控制、设计无局限等优点，在校园文化和校园纪念品开发方面具有良好优势。
关键词：3D;模型制作;短周期设计
3D打印技术历经五十多年的发展，技术不断成熟，其中桌面级3D打印技术迭代速度较快，越来越多的领域也开始尝试应用3D打印技术。3D打印技术的突出优势是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机建模生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期[1]。3D打印技术和校园纪念品设计结合，是基于对3D打印技术成本控制、设计无局限、个性化定制和分布式生产特点基础上的再次运用，从而解决校园纪念品设计单一、创新性差的问题[2]。河套学院机电工程系充分发挥3D技术优势，创新作品来展现工业设计魅力[3]。
1 3D打印技术现状
3D打印技术是现代激光技术、CAD/CAM 技术、计算机数字技术、新材料技术、材料科学技术等的集成发展。现今广泛用于工业生产的3D打印技术主要有熔融沉积型（Fused Deposition Molding——FDM）、激光烧结型（Selective Laser Sintering ——SLS）、光固化成型（Stereo lithography Apparatus——SLA）和三维打印成型（Three Dimensional Printing and Gluing——3DP）。3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，在工作台上利用上述方式的一种或几种进行成型。本文利用第一种方式成型，其打印流程见图1。
FDM翻译为“熔融沉积制造技术”有近三十年的历史，FDM工艺是为制造业企业新产品开发服务的一项关键技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力具有积极的推动作用，该技术是目前使用广泛的3D打印工艺，它采用自下而上逐层构建零件，打印的零件具有良好的耐屈挠抗蠕变性能、耐热性。FDM主要使用三种材料：PLA（PolyLactic Acid聚乳酸）和ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物），还有TPU/TPE（Thermo Plastic Urethane/Thermo Plastic Elastomer）柔性材料，ABS对打印要求比较高，它的熔点温度比PLA更高，一般容易翘曲和收缩。聚氨酯TPU比较软，可以制造伸展性特别好的物体，打印时难度较高。常用的就是PLA耗材，它是一种可生物降解的热塑性塑料，来源于可再生资源，比如玉米、甜菜、木薯和甘蔗，所以用这种材料更加环保，相对安全，不会产生难闻有毒气味，是比较理想的通用材料。一般打印技术以PLA为材料，选择打印层高、打印速度、喷头温度等参数作为研究因素[4]。
2 3D建模与作品展示
计算机建模是3D打印的前提，同时直接决定3D打印模型的质量，使用原图见图2，采用郭庆老师的河套学院图书馆的照片为蓝本，使用FlashPrint软件切片。图片使用的原则颜色对比强烈、光影柔和，这样有利于在二维（2D）影像的基础上制作三维（3D）影像。
该作品的思路是把图书馆的平面照片通过建模、经3D打印为浮雕式立体图，以笔筒造型展现。图书馆前的广场的蒙古元素首先展现在观赏者眼前，外形整体是圆柱，该作品需要放在底部带光的旋转支架上，见图4（旋转的圆形笔筒可以使观察者看到全貌），内壁使用三色USB供电的贴片LED 5V调光调色开关灯，见图5。电脑主板通过USB电源驱动提供给USB口小于500mA电流、5V恒定电压，展示的实验室、笔记本较为容易提供此类电源;使用LED冷光源，避免3D材质被烤软、烤化，同时还可以变色，增加多样性。这样通过灯光配合，原3D作品就摒弃冷冰冰且生硬的感觉，具有生气，作品生动活泼起来，表现力更好。
还有一种造型是浮雕基板为长方形，这个不需要旋转，但作品的背面也需增加光源，见图9b达到上述效果。不同的是，目前还不能找到比较好的光源照射来达到设计效果，只有把作品紧贴在窗户玻璃上，通过室外光线的照射，才能更好的表现作品意境。
打印系统使用两种系统：一种是自行设计的3D打印机（设计图见图6a），一种使用成品打印机见图8b（两种打印机打印肉眼质量有差别，此外在速度、稳定性等方面也存在差别，本文旨在外观查看样品的区别，不在定量研究其他参数的区别）。
图10作品造型做成空心球形，球内壁铺设LED贴片灯光，放置与旋转台之上展示。图11设计的是一个带有底座的台灯，由三个模型组成，分别由灯座、灯罩、圆片组成的格栅支撑等。内部光源依然采用USB接头LED贴片5V调光调色灯光。设计增加人体感应传感器，当有人靠近展示台，旋转台开始旋转，增加自动化元素和科技感。
“河套学院学生生活灯罩”是最具创意的作品，它把几个不同部件组合一体，利用光、电技术展现意境同时兼具实用性。
3结语
高等学校的图书馆，作为文献的聚集地和展示平台，扮演着引领文化前进的角色，它的社会功能早已超越了本身的功能价值，进而演化成为一种文化精神的象征。河套学院图书馆位于学院景观主轴、且最为宏伟，“河套学院”蒙汉双语标识位于其顶层，从几个因素上使得图书馆单体楼宇成了河套学院标志性建筑。把这种院标性建筑物在七星广场的互相衬托下，表现河套学院在内蒙古西部高校的独特地位具有一定意义。通过3D打印技术的创新设计，以不同构造形式，集合声、光、电的自动化控制技术，创造出眼前一亮的纪念品，对宣传河套学院、提升河套學院魅力都具有积极意义。
本文设计的作品是河套学院机电工程系师生共同完成的作品，他们掌握了3D打印相关专业知识，对发展类似新工科进行相关探索。使用3D技术打印成型作品具备个性化定制，同时兼具成本控制、设计无局限等优点，在校园文化和校园纪念品开发方面具有良好优势，可以完成制造非标模型、小批量产品制造加工服务，针对性和灵活性高，同时具有3D技术的智能化制造、经济性好、材料利用率高、缩短开发周期等特点。设计者通过制作过程也增强了爱校情怀，从观赏者角度来看，本校开发的作品在展现教学效果还可以因为代入感更强，易于提升观赏者的观赏体验。
参考文献：
[1]贾冬义.产业创新与高校专业群建设研究[J].产业创新研究，2020（09）：153-154.
[2]贾冬义.应用型转型本科MCU课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（06）：114-115.
[3]贾冬义.大学物理教学中的演示实验设计——以多普勒效应为例[J].学园，2020，13（30）：32-34.
[4]Wang Kui，Li Shixian，Wu Yiyun，Rao Yanni，Peng Yong. Simultaneous reinforcement of both rigidity and energy absorption of polyamide-based composites with hybrid continuous fibers by 3D printing[J]. Composite Structures，2021，267.
作者简介：
贾冬义（1976-），河套学院机电工程系，副主任、副教授。研究方向：自动化、力学问题;
王志林（1998-），河套学院机电工程系2018级电气工程及其自动化3班学生。
（河套学院机电工程系 内蒙古巴彦淖尔 015000）
关键词：3D;模型制作;短周期设计
3D打印技术历经五十多年的发展，技术不断成熟，其中桌面级3D打印技术迭代速度较快，越来越多的领域也开始尝试应用3D打印技术。3D打印技术的突出优势是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机建模生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期[1]。3D打印技术和校园纪念品设计结合，是基于对3D打印技术成本控制、设计无局限、个性化定制和分布式生产特点基础上的再次运用，从而解决校园纪念品设计单一、创新性差的问题[2]。河套学院机电工程系充分发挥3D技术优势，创新作品来展现工业设计魅力[3]。
1 3D打印技术现状
3D打印技术是现代激光技术、CAD/CAM 技术、计算机数字技术、新材料技术、材料科学技术等的集成发展。现今广泛用于工业生产的3D打印技术主要有熔融沉积型（Fused Deposition Molding——FDM）、激光烧结型（Selective Laser Sintering ——SLS）、光固化成型（Stereo lithography Apparatus——SLA）和三维打印成型（Three Dimensional Printing and Gluing——3DP）。3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，在工作台上利用上述方式的一种或几种进行成型。本文利用第一种方式成型，其打印流程见图1。
FDM翻译为“熔融沉积制造技术”有近三十年的历史，FDM工艺是为制造业企业新产品开发服务的一项关键技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力具有积极的推动作用，该技术是目前使用广泛的3D打印工艺，它采用自下而上逐层构建零件，打印的零件具有良好的耐屈挠抗蠕变性能、耐热性。FDM主要使用三种材料：PLA（PolyLactic Acid聚乳酸）和ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物），还有TPU/TPE（Thermo Plastic Urethane/Thermo Plastic Elastomer）柔性材料，ABS对打印要求比较高，它的熔点温度比PLA更高，一般容易翘曲和收缩。聚氨酯TPU比较软，可以制造伸展性特别好的物体，打印时难度较高。常用的就是PLA耗材，它是一种可生物降解的热塑性塑料，来源于可再生资源，比如玉米、甜菜、木薯和甘蔗，所以用这种材料更加环保，相对安全，不会产生难闻有毒气味，是比较理想的通用材料。一般打印技术以PLA为材料，选择打印层高、打印速度、喷头温度等参数作为研究因素[4]。
2 3D建模与作品展示
计算机建模是3D打印的前提，同时直接决定3D打印模型的质量，使用原图见图2，采用郭庆老师的河套学院图书馆的照片为蓝本，使用FlashPrint软件切片。图片使用的原则颜色对比强烈、光影柔和，这样有利于在二维（2D）影像的基础上制作三维（3D）影像。
该作品的思路是把图书馆的平面照片通过建模、经3D打印为浮雕式立体图，以笔筒造型展现。图书馆前的广场的蒙古元素首先展现在观赏者眼前，外形整体是圆柱，该作品需要放在底部带光的旋转支架上，见图4（旋转的圆形笔筒可以使观察者看到全貌），内壁使用三色USB供电的贴片LED 5V调光调色开关灯，见图5。电脑主板通过USB电源驱动提供给USB口小于500mA电流、5V恒定电压，展示的实验室、笔记本较为容易提供此类电源;使用LED冷光源，避免3D材质被烤软、烤化，同时还可以变色，增加多样性。这样通过灯光配合，原3D作品就摒弃冷冰冰且生硬的感觉，具有生气，作品生动活泼起来，表现力更好。
还有一种造型是浮雕基板为长方形，这个不需要旋转，但作品的背面也需增加光源，见图9b达到上述效果。不同的是，目前还不能找到比较好的光源照射来达到设计效果，只有把作品紧贴在窗户玻璃上，通过室外光线的照射，才能更好的表现作品意境。
打印系统使用两种系统：一种是自行设计的3D打印机（设计图见图6a），一种使用成品打印机见图8b（两种打印机打印肉眼质量有差别，此外在速度、稳定性等方面也存在差别，本文旨在外观查看样品的区别，不在定量研究其他参数的区别）。
图10作品造型做成空心球形，球内壁铺设LED贴片灯光，放置与旋转台之上展示。图11设计的是一个带有底座的台灯，由三个模型组成，分别由灯座、灯罩、圆片组成的格栅支撑等。内部光源依然采用USB接头LED贴片5V调光调色灯光。设计增加人体感应传感器，当有人靠近展示台，旋转台开始旋转，增加自动化元素和科技感。
“河套学院学生生活灯罩”是最具创意的作品，它把几个不同部件组合一体，利用光、电技术展现意境同时兼具实用性。
3结语
高等学校的图书馆，作为文献的聚集地和展示平台，扮演着引领文化前进的角色，它的社会功能早已超越了本身的功能价值，进而演化成为一种文化精神的象征。河套学院图书馆位于学院景观主轴、且最为宏伟，“河套学院”蒙汉双语标识位于其顶层，从几个因素上使得图书馆单体楼宇成了河套学院标志性建筑。把这种院标性建筑物在七星广场的互相衬托下，表现河套学院在内蒙古西部高校的独特地位具有一定意义。通过3D打印技术的创新设计，以不同构造形式，集合声、光、电的自动化控制技术，创造出眼前一亮的纪念品，对宣传河套学院、提升河套學院魅力都具有积极意义。
本文设计的作品是河套学院机电工程系师生共同完成的作品，他们掌握了3D打印相关专业知识，对发展类似新工科进行相关探索。使用3D技术打印成型作品具备个性化定制，同时兼具成本控制、设计无局限等优点，在校园文化和校园纪念品开发方面具有良好优势，可以完成制造非标模型、小批量产品制造加工服务，针对性和灵活性高，同时具有3D技术的智能化制造、经济性好、材料利用率高、缩短开发周期等特点。设计者通过制作过程也增强了爱校情怀，从观赏者角度来看，本校开发的作品在展现教学效果还可以因为代入感更强，易于提升观赏者的观赏体验。
参考文献：
[1]贾冬义.产业创新与高校专业群建设研究[J].产业创新研究，2020（09）：153-154.
[2]贾冬义.应用型转型本科MCU课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（06）：114-115.
[3]贾冬义.大学物理教学中的演示实验设计——以多普勒效应为例[J].学园，2020，13（30）：32-34.
[4]Wang Kui，Li Shixian，Wu Yiyun，Rao Yanni，Peng Yong. Simultaneous reinforcement of both rigidity and energy absorption of polyamide-based composites with hybrid continuous fibers by 3D printing[J]. Composite Structures，2021，267.
作者简介：
贾冬义（1976-），河套学院机电工程系，副主任、副教授。研究方向：自动化、力学问题;
王志林（1998-），河套学院机电工程系2018级电气工程及其自动化3班学生。
（河套学院机电工程系 内蒙古巴彦淖尔 015000）