基于DLP技術的3D打印機在產品創意設計中的應用

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　　摘  要：本課題分析了全國3D打印行業的發展趨勢，介紹3D打印技術數字化、快速化、個性化、精細化等優點，具體分析DLP技術的成型原理以及優勢，并進一步介紹基于DLP技術的3D打印機的工作流程，最后通過浙江農業商貿職業學院產品藝術設計學生產品創意設計典型案例來具體講解DLP技術在產品設計中的應用。
　　關鍵詞：數字化制造;DLP技術;產品創意設計
　　中圖分類號：TP334.8       文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0182-02
　　Abstract： In this paper， the development trend of 3D printing industry in China is analyzed. On the basis of introducing the advantages of 3D printing technology， such as digitization， rapidity， individualization and refinement， the forming principle and advantages of DLP technology are analyzed concretely. The workflow of 3D printer based on DLP technology is further introduced. finally， the application of DLP technology in product design is explained through the typical case of product creative design of product art design students in Zhejiang Agricultural Trade Vocational College.
　　Keywords： digital manufacturing; DLP technology; product creative design
　　1 3D打印技術的發展趨勢
　　杰里米·里夫金在《第三次工業革命——新經濟模式如何改變世界》一書中，提出了第三次產業革命的模式，即：互聯網技術、可再生能源、數字化制造、新材料相融合。3D打印技術從20世紀80年代后期誕生以來，已經進入了高速發展時期，中國于2011年后加快推進了該技術的技術研發和產業化，截至2018年，中國打印機銷售額將增長四倍，至37800臺，收入增長超過三倍，至1.09億美元，未來，中國在3D打印市場很有可能超越德美，處于領導地位。
　　趨勢一：傳統制造業與3D打印“增”“減”制造長期共存
　　傳統制造業經歷了上千年的積累和發展，技術、工藝以及材料等均已非常成熟，然而3D打印產品研發周期短、用料省、用時更快，在產品研發初期和小批量及個性化定制方便優勢太明顯，加上現在的設計趨勢明顯多樣化、個性化，迫使許多企業不斷對生產方式進行調整：從最初標準化、規?；⒋笈康纳a方式轉變為多樣化、小批量、柔性化生產，不斷地細分市場。增材制造雖然不能完全替代減材制造、等材制造，但作為傳統制造技術的有益補充，3D打印將極大地推動制造業的轉型升級。
　　趨勢二：成型尺寸向兩邊延伸，大小產品顛覆想象
　　隨著3D打印應用領域的擴展，產品成型尺寸正走向兩個極端。小到珠寶飾品，大到家具建筑、汽車、航空均已廣泛應用，產品的強度硬度、體積重量不斷地刷新了人們對3D打印技術的認識，未來，3D打印的成型尺寸只有想不到，沒有做不到。
　　趨勢三：打印材料質量趨升價趨降，混搭更精彩
　　打印材料的研發飛速發展，粉末狀、絲狀、液體狀的打印材料均有很大空間的發展，材料種類、形態將得到進一步拓展，價格下降可期，精度、強度、穩定性、安全性也更加有保障。例如金屬粉末不僅有不銹鋼、鋁合金、鈦合金還有金銀等貴金屬材料等。另外，人們對打印效果的期望也越來越高，早已不滿足于單一功能、單一材質、單一色彩等：金屬、塑料、陶瓷、橡膠等多種材料通過打印技術的自由切換得到混合使用，色彩也可五彩繽紛。
　　趨勢四：打印聯手醫療行業，手術可排練、治療更精準
　　針對3D打印技術個性化定制的特性與醫療行業的對癥下藥契合性堪稱科技與技術的結合。一方面醫生利用3D打印技術在手術前演練，可以更直觀地了解病例結構，增加手術成功率;另一方面，3D生物打印，用人造血管、心臟、神經、皮膚等來修復、替代和重建病損組織和器官。
　　趨勢五：發揮高?？蒲兄髁姡a學研協同長效合作
　　3D打印技術發端于高校，國內除了清華大學、北京航空航天大學、西安交通大學、華中科技大學等高校科研骨干力量外，杭州先臨三維、深圳光韻達光電科技、北京殷華、浙江迅實等實力公司積極地與高校合作，隨著我國科技體制機制改革的不斷推進，走產學研協同之路，形成長效合作機制，成為我國推進3D打印產業化的現實選擇。
　　2 DLP技術的成型原理及優勢
　　2.1 DLP技術的成型原理
　　目前主流的幾種3D打印技術包括熔融沉積快速成型技術（FDM）、光固化成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP）、選擇性激光燒結技術（SLS）、三維打印成型技術（3DP）、薄材疊層制造成型（LOM）和選擇性激光熔化技術（SLM）。
　　DLP是數字光處理（Digital Light Processing）的縮寫，主要是通過投影儀來逐層固化光敏聚合物液體，從而創建出3D打印對象。
　　DLP打印設備由投影儀、樹脂液槽、打印平臺和樹脂組成。容納樹脂的液槽儲存可被特定波長的紫外光照射后固化的樹脂，液槽下面的成像系統通過投影儀通過能量計圖形控制，每次固化一定厚度及形狀的樹脂，然后液槽上方的提拉機構將每一次界面曝光的固態樹脂提拉，就這樣一層一層曝光并提升來生成三維實體。 　　2.2 DLP技術的優勢
　　DLP打印技術通過單個像素進行成像，打印分辨率比較高，像素尺寸達到30微米的級別，與其他3D打印方法相比，打印成品的質量較高，精度高，更為光滑。
　　DLP打印速度也有所加快，特別是對于體積較大、結構較復雜的打印任務而言更是如此。因為激光打印機必須對所有打印對象進行描繪，但這種新型打印機則可以一次性成型?；贒LP技術的3D打印機免去了逐層構建的復雜操作，而是可以實現一次性成形，因而節省了很多時間，在打印較大實物時也不例外。換句話說，具備一次性成形的能力意味著，實物的復雜結構和尺寸對總體構建時間并沒有絲毫的影響。
　　DLP打印技術的高精度、高表面質量特性以及對產品的適應性、加工效率、加工成本的需求，使DLP打印技術的市場應用率很高，被廣泛地應用在珠寶行業、醫療行業以及教育行業。
　　3 DLP打印技術在產品藝術設計產品創意設計中的應用
　　自2014年底起，浙江農業商貿職業學院產品藝術設計專業投入300萬專項建設經費建設3D打印創意設計實訓室，將創新教學引入課堂，采用項目化教學、理實一體化教學模式，訓練學生將3D打印知識與專業技能融合運用，掌握產品設計的全過程，訓練學生的綜合實踐能力，重在培養學生的創造思維、創造性方法以及創新、創意能力。
　　3.1 掌握DLP打印工作流程，激發學生產品創意設計興趣
　　真實的3D打印創意設計實踐實訓室內，學生可以快速掌握基于DLP技術的3D打印機的工作流程：首先，通過CAD或RHINO設計出三維模型，存成STL.格式，利用離散程序將模型進行切片處理，設計照射形狀，產生的數據將精確控制光源和升降臺的運動;其次，激光器根據切片形狀，發出相應形狀的光斑，該層樹脂固化后，就完成了該片層的加工;然后，升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，在進行第二層照射，第二固化層牢固地粘結在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型;最后，將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產品。
　　3.2 設計即生產，快速訓練創造思維
　　產品藝術設計專業已經與上海、杭州、紹興、寧波、上虞、溫州等地十余家設計公司建立了長久校外實訓基地，實現資源共享、優勢互補，充分發揮工學結合等方面的功能，學生課程項目很多來自于校企合作項目，學生的產品創意設計專注于產品形態創意和功能創新，所謂設計即生產，直接達到校園到企業生產，學生通過企業工程師與校內專業教師的指導，對產品形態的創作將更加揮灑自如，比傳統產品設計、手板模型制作等流程高效。通過校內的實訓設備行業企業培育人才發揮了重要作用。
　　3.3 形成3D打印教育創新應用，加快產品設計研發
　　在產品創意設計方面，DLP技術比其他打印技術更快速、更省時、更有效地表達設計創意。以前產品研發到成型都需要一副幾十萬的模具且產品的市場是不可估計的，加上產品更新換代也快，這些因素無疑都給企業帶來了很大的壓力，通過3D打印，大大縮短了產品設計到成型的周期，也節省了產品設計研發的成本。
　　3.4 銀質首飾案例分析
　　以學生課堂上的珠寶設計為例，經過DLP機器的打印后，我們開始制作銀版首飾：首先需要對3D打印戒指支撐修正——焊接支撐——種蠟樹——把蠟樹放入鋼盅，用膠紙粘好——調樹脂粉抽真空——倒入鋼盅——抽真空——等待樹脂固化——去掉膠紙和整理樹脂膜——種蠟樹——把鋼盅放入650℃烤爐內，升溫750℃烘烤5小時，最后降溫到650℃準備吸塵，回烤爐650℃烤1小時即可澆鑄——倒適量銀粒放入熔爐升溫到1020℃即可澆鑄——把鋼盅放入鑄造機，邊抽真空到底后倒入銀水——倒滿銀水稍后取出放置冷卻——冷卻稍后用鋼盅鉗夾入水中爆冷炸樹脂粉——沖洗完樹脂粉，取出銀件——把銀件放入氫氟酸浸泡五分鐘稍后取出用清水清晰，最后用剪鉗剪下戒指，修水口，執模后放入拋光機拋光，最后一款銀質珠寶就成品了。
　　通過對加濕器產品創意設計典型案例的分析，詳細介紹DLP打印機的具體應用，使學生對光固化技術的熟悉和掌握，形成3D打印教育創新應用。經過詳細介紹DLP打印機的具體應用，讓學生參與以上18個步驟的打印后處理，學生可以完整地參與到一款珠寶的制作過程，學生看到自己的創意設計在經過DLP打印后處理到最終成品，大大鼓勵了學生的創意設計興趣，使學生對光固化技術的熟悉和掌握，形成3D打印教育創新應用。
　　4 結束語
　　產品藝術設計專業學生的產品創意設計能力通過桌面DLP技術的3D打印機得到了充分地發揮，DLP技術在打印速度、設備體形、設備體重和價格方面的優勢使其在教學方面發揮了更大的作用。
　　參考文獻：
　　[1]高陽.三維打印技術在產品設計中的應用研究[D].北京工業大學，2012（01）.
　　[2]畢延剛.3D打印對高等院校工業設計專業教學的影響[A].國際工業設計研討會暨第十八屆全國工業設計學術年會[C].2013.
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