3D打印技术工业产品造型设计探究

摘要：利用3D打印技术进行工业产品的创意设计，不仅可以满足人们对于产品个性化、趣味性的追求，同时也能够培养人们的科技创新意识。以电子时钟的创意设计为例，展示了利用3D打印技术如何进行工业产品的设计与制作的全过程。

关键词：3D打印技术；工业产品；造型设计

0引言

工业产品在我们的现代日常生活中随处可见，如灯具、手机支架、收纳盒、钟表等一些日常用品或者一些小型的电子产品。随着科技的发展和人们物质生活水平的提高，人们对工业产品的需求已不仅仅满足于产品的使用价值，而更倾向于自身精神层面的审美需求，即对产品外观造型的鲜明个性化、趣味创意性等方面的追求。传统的工业产品设计开发过程极为繁琐，设计制作周期长，产品结构、色彩较为单一，设计成本高，因此，很难达到人们对于产品的审美需求。而3D打印技术的出现，正好解决了这个传统加工制造业难以达到的要求。目前，3D打印技术以其具有的数字化、智能化、个性化优势特点，被广泛应用到工业制造、生物医学、建筑工程、教育教学等各个行业领域，并发挥着巨大的作用。本文以电子时钟的创意设计为例，让大家清晰地了解利用3D打印技术如何进行个性化的工业产品造型设计与制作。

1基于3D打印技术的工业产品造型设计与制作过程

本次项目开展所使用的三维建模软件为中望公司的3DOnePlus软件，3D打印机设备使用HORIE3打印机，此款打印机适用的材料为PLA塑料，材料的颜色有红、蓝、黄、绿、白色等，最大打印尺寸为250mm×150mm×350mm，打印精度为0．1mm。根据3D打印机设备的加工特点，同时也为了确保模型制作的可实施性，本项目将以电子时钟为主题，利用3D打印技术对电子时钟进行创意设计与制作。

1．1电子时钟外壳的创意设计与三维模型的绘制

1．1．1利用三维扫描仪获取电子时钟电路板的点云数据。电子时钟外壳结构的基本功能是将电路板（见图1）进行定位装配，所以电子时钟外壳的基本结构尺寸是根据电路板的尺寸结构来确定的。然而在实践过程中发现，电路板上有很多凹凸不平的细节结构，如果直接测量电路板实物尺寸结构，得到的尺寸数据偏差比较大，最终导致时钟外壳中定位电路板的结构尺寸也很不准确。因此，首先利用三维扫描仪采集电路板的点云数据，确保电路板上一些较大元件的基本结构尺寸和定位尺寸都准确清晰；然后对采集到的点云数据进行适当的处理，最终得到时钟电路板的点云数据，建立电路板三维模型，如图2所示。1．1．2根据电路板模型的点云数据确定电子时钟外壳的基本尺寸。将时钟电路板模型的点云数据导入到3DOnePlus软件中，根据电路板的模型结构进行外壳结构的基本尺寸设计，同时结合工业产品的结构工艺性分析，将外壳部分分为前盖（见图3）和后盖（见图4）两个部分。为了确保电路板的正常装配，其前盖和后盖的基本结构尺寸确定为85．5mm×85．5mm×9．2mm，同时，考虑到3D打印的精度影响以及打印模型的强度，外壳的壁厚定为1．7mm，其中有4个装配螺丝孔的位置是依据电子板上的4个孔位确定。1．1．3进行电子时钟外壳的创意设计。在完成了外壳前、后盖的基本装配结构尺寸之后，即可在此基础之上进行结构的创意设计构思。由于本项目实施的3D打印设备为HORIE3打印机，其最大成型尺寸不超过250mm×150mm×350mm，打印精度为0．1mm，因此在构思时需要考虑这些因素的限制，其他创意设计可自由发挥，在此不再赘述。电子时钟外壳造型的几种设计方案如图5所示。确定好设计方案之后，在软件中将文件导出为STL格式，保存即可。

1．2电子时钟三维数据的切片处理

外壳的结构方案确定好后，将外壳前盖和后盖的三维模型数据STL格式文件导入到切片软件中进行切片处理。在进行切片处理之前，首先需要了解FDM（熔融沉积成型）类型的3D打印技术的模型摆放原则：①模型体积大的一端尽量朝下，避免头重脚轻；②打开HORI3D打印机提供的配套Modellight切片软件，导入模型，选择相应的3D打印机型号，接着设置切片参数，预览模型的模拟切片过程以及切片相关的具体信息，如图6～图8所示。确认无误后，导出切片文件，拷贝入SD卡中进入下一步的打印过程。

1．3电子时钟模型的3D打印开启

HORIE33D打印机，调试好设备之后即可读取SD卡中数据进行打印。打印过程中模型将会一层一层堆叠成型，此过程的具体操作流程如图9所示。最后，待模型颜色处理完成后，装配好前盖和后盖，接上电源，最终完成电子时钟的整个设计与制作过程。方案1的装配调试效果如图11所示。

2实施过程中发现的问题与改进方法

在本项目的实施过程中发现了一些问题，主要体现在以下几个方面：（1）时钟电路板在进行三维扫描前需要喷涂白色显色剂，扫描完成之后，电路板上的显色剂非常难清除选择平面为底面，与平台接触的底面面积尽可能大；③尽量避免模型放置有过多悬空部分。打印完成后的模型如图10所示。1．4电子时钟打印模型的后处理及装配调试将打印完成的模型进行后处理，首先要利用工具去除模型上的支撑废料，然后用砂纸或小锉刀打磨模型表面的一些小毛刺，直到手感摸上去光滑即可。如需上色，在打磨完成后涂上3D打印模型磨光液，待模型干燥后，涂上丙烯颜料进行上色处理。干净，有时可能导致焊接好的电路板出现故障，影响了电路板的正常使用。本人认为解决这个问题的方法是需要多制作一块备用电路板，用于后续电子钟的装配。（2）因采用的是FDM工艺的3D打印设备，因此，打印模型的精度不够高，打印模型会经常出现表面多丝、烧结等质量问题；同时因打印误差的影响，也会出现一些装配件因配合误差太大，导致装配不上的问题。对于这些问题，如果条件允许，可以换用一些打印成型精度高的设备，如采用SLA（光固化成型）的成型技术，或者选择一些ABS塑料等强度更高的材料作为打印材料；否则，就只能够在打印前先详细准确地了解打印机具体的误差值，从而在设计三维模型时将打印机的误差值也考虑进去，这样打印出来的模型尺寸误差就能得到有效的控制。（3）FDM工艺在打印过程中遵循一种45°法则，即当模型表面与垂直面的倾角超过45°时，将会在该表面的底部打印支撑用以支撑此面，确保倾斜面能够正常打印。支撑材料在打印完成之后，是需要用工具将它从模型的表面剥离去除，实践过程中发现，支撑材料很难去除的很干净，同时也大大影响了模型表面的精度。这个问题，对于高端高性能的品牌3D打印机，将模型材料与支撑材料分别采用两种不同的材料，打印支撑选用一种水溶性的支撑材料，这种材料溶于水，模型打印完成之后，将打印模型泡入水中，支撑材料即可慢慢溶解得到去除。如果无法更换更先进的设备，我们只能从设计模型的结构上进行优化，尽量避免设计需要打印支撑的倾斜面，或者将需要打印支撑的表面作为模型内部结构，不影响产品的外观结构即可。（4）本项目采用的3D打印机，只支持单色PLA材料打印，因此打印模型都只能是单色，导致产品在造型色彩上比较单一。如果用丙烯颜料上色，PLA材料也会出现上色非常不均匀的现象。如果想要改善上色均匀的问题，可能需要配置专业的3D打印模型后处理设备，对打印模型进行细致的打磨抛光处理。

3结语

3D打印技术已经在慢慢改变着现代人们的生产、生活方式，随着科学技术的进一步发展，3D打印技术一定会以更高精度、更高效率、更加便捷、更具个性化的特点渗透到人们日渐提高的高品质生活中。它不仅可以高效快捷地帮助人们解决生活中日常用品的需求，同时也能够满足人们对于个性化彰显的精神层面的需求。利用3D打印技术进行产品创意设计的过程，不仅能够有效增强人们的创新意识，同时也锻炼了人们解决问题，进行创新创意的实践能力。长远来说，它甚至能够推动一个国家的全民科技创新意识和创新能力。

作者:樊佳 单位:广东省理工职业技术学校