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基于DLP技术的3D打印机在产品创意设计中的应用

作者:未知

  摘  要:本课题分析了全国3D打印行业的发展趋势,介绍3D打印技术数字化、快速化、个性化、精细化等优点,具体分析DLP技术的成型原理以及优势,并进一步介绍基于DLP技术的3D打印机的工作流程,最后通过浙江农业商贸职业学院产品艺术设计学生产品创意设计典型案例来具体讲解DLP技术在产品设计中的应用。
  关键词:数字化制造;DLP技术;产品创意设计
  中图分类号:TP334.8       文献标志码:A 文章编号: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打印技術的发展趋势
  杰里米·里夫金在《第三次工业革命——新经济模式如何改变世界》一书中,提出了第三次产业革命的模式,即:互联网技术、可再生能源、数字化制造、新材料相融合。3D打印技术从20世纪80年代后期诞生以来,已经进入了高速发展时期,中国于2011年后加快推进了该技术的技术研发和产业化,截至2018年,中国打印机销售额将增长四倍,至37800台,收入增长超过三倍,至1.09亿美元,未来,中国在3D打印市场很有可能超越德美,处于领导地位。
  趋势一:传统制造业与3D打印“增”“减”制造长期共存
  传统制造业经历了上千年的积累和发展,技术、工艺以及材料等均已非常成熟,然而3D打印产品研发周期短、用料省、用时更快,在产品研发初期和小批量及个性化定制方便优势太明显,加上现在的设计趋势明显多样化、个性化,迫使许多企业不断对生产方式进行调整:从最初标准化、规模化、大批量的生产方式转变为多样化、小批量、柔性化生产,不断地细分市场。增材制造虽然不能完全替代减材制造、等材制造,但作为传统制造技术的有益补充,3D打印将极大地推动制造业的转型升级。
  趋势二:成型尺寸向两边延伸,大小产品颠覆想象
  随着3D打印应用领域的扩展,产品成型尺寸正走向两个极端。小到珠宝饰品,大到家具建筑、汽车、航空均已广泛应用,产品的强度硬度、体积重量不断地刷新了人们对3D打印技术的认识,未来,3D打印的成型尺寸只有想不到,没有做不到。
  趋势三:打印材料质量趋升价趋降,混搭更精彩
  打印材料的研发飞速发展,粉末状、丝状、液体状的打印材料均有很大空间的发展,材料种类、形态将得到进一步拓展,价格下降可期,精度、强度、稳定性、安全性也更加有保障。例如金属粉末不仅有不锈钢、铝合金、钛合金还有金银等贵金属材料等。另外,人们对打印效果的期望也越来越高,早已不满足于单一功能、单一材质、单一色彩等:金属、塑料、陶瓷、橡胶等多种材料通过打印技术的自由切换得到混合使用,色彩也可五彩缤纷。
  趋势四:打印联手医疗行业,手术可排练、治疗更精准
  针对3D打印技术个性化定制的特性与医疗行业的对症下药契合性堪称科技与技术的结合。一方面医生利用3D打印技术在手术前演练,可以更直观地了解病例结构,增加手术成功率;另一方面,3D生物打印,用人造血管、心脏、神经、皮肤等来修复、替代和重建病损组织和器官。
  趋势五:发挥高校科研主力军,产学研协同长效合作
  3D打印技术发端于高校,国内除了清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学、华中科技大学等高校科研骨干力量外,杭州先临三维、深圳光韵达光电科技、北京殷华、浙江迅实等实力公司积极地与高校合作,随着我国科技体制机制改革的不断推进,走产学研协同之路,形成长效合作机制,成为我国推进3D打印产业化的现实选择。
  2 DLP技术的成型原理及优势
  2.1 DLP技术的成型原理
  目前主流的几种3D打印技术包括熔融沉积快速成型技术(FDM)、光固化成型技术(SLA)、数字光处理技术(DLP)、选择性激光烧结技术(SLS)、三维打印成型技术(3DP)、薄材叠层制造成型(LOM)和选择性激光熔化技术(SLM)。
  DLP是数字光处理(Digital Light Processing)的缩写,主要是通过投影仪来逐层固化光敏聚合物液体,从而创建出3D打印对象。
  DLP打印设备由投影仪、树脂液槽、打印平台和树脂组成。容纳树脂的液槽储存可被特定波长的紫外光照射后固化的树脂,液槽下面的成像系统通过投影仪通过能量计图形控制,每次固化一定厚度及形状的树脂,然后液槽上方的提拉机构将每一次界面曝光的固态树脂提拉,就这样一层一层曝光并提升来生成三维实体。   2.2 DLP技术的优势
  DLP打印技术通过单个像素进行成像,打印分辨率比较高,像素尺寸达到30微米的级别,与其他3D打印方法相比,打印成品的质量较高,精度高,更为光滑。
  DLP打印速度也有所加快,特别是对于体积较大、结构较复杂的打印任务而言更是如此。因为激光打印机必须对所有打印对象进行描绘,但这种新型打印机则可以一次性成型。基于DLP技术的3D打印机免去了逐层构建的复杂操作,而是可以实现一次性成形,因而节省了很多时间,在打印较大实物时也不例外。换句话说,具备一次性成形的能力意味着,实物的复杂结构和尺寸对总体构建时间并没有丝毫的影响。
  DLP打印技术的高精度、高表面質量特性以及对产品的适应性、加工效率、加工成本的需求,使DLP打印技术的市场应用率很高,被广泛地应用在珠宝行业、医疗行业以及教育行业。
  3 DLP打印技术在产品艺术设计产品创意设计中的应用
  自2014年底起,浙江农业商贸职业学院产品艺术设计专业投入300万专项建设经费建设3D打印创意设计实训室,将创新教学引入课堂,采用项目化教学、理实一体化教学模式,训练学生将3D打印知识与专业技能融合运用,掌握产品设计的全过程,训练学生的综合实践能力,重在培养学生的创造思维、创造性方法以及创新、创意能力。
  3.1 掌握DLP打印工作流程,激发学生产品创意设计兴趣
  真实的3D打印创意设计实践实训室内,学生可以快速掌握基于DLP技术的3D打印机的工作流程:首先,通过CAD或RHINO设计出三维模型,存成STL.格式,利用离散程序将模型进行切片处理,设计照射形状,产生的数据将精确控制光源和升降台的运动;其次,激光器根据切片形状,发出相应形状的光斑,该层树脂固化后,就完成了该片层的加工;然后,升降台下降一定距离,固化层上覆盖另一层液态树脂,在进行第二层照射,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型;最后,将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
  3.2 设计即生产,快速训练创造思维
  产品艺术设计专业已经与上海、杭州、绍兴、宁波、上虞、温州等地十余家设计公司建立了长久校外实训基地,实现资源共享、优势互补,充分发挥工学结合等方面的功能,学生课程项目很多来自于校企合作项目,学生的产品创意设计专注于产品形态创意和功能创新,所谓设计即生产,直接达到校园到企业生产,学生通过企业工程师与校内专业教师的指导,对产品形态的创作将更加挥洒自如,比传统产品设计、手板模型制作等流程高效。通过校内的实训设备行业企业培育人才发挥了重要作用。
  3.3 形成3D打印教育创新应用,加快产品设计研发
  在产品创意设计方面,DLP技术比其他打印技术更快速、更省时、更有效地表达设计创意。以前产品研发到成型都需要一副几十万的模具且产品的市场是不可估计的,加上产品更新换代也快,这些因素无疑都给企业带来了很大的压力,通过3D打印,大大缩短了产品设计到成型的周期,也节省了产品设计研发的成本。
  3.4 银质首饰案例分析
  以学生课堂上的珠宝设计为例,经过DLP机器的打印后,我们开始制作银版首饰:首先需要对3D打印戒指支撑修正——焊接支撑——种蜡树——把蜡树放入钢盅,用胶纸粘好——调树脂粉抽真空——倒入钢盅——抽真空——等待树脂固化——去掉胶纸和整理树脂膜——种蜡树——把钢盅放入650℃烤炉内,升温750℃烘烤5小时,最后降温到650℃准备吸尘,回烤炉650℃烤1小时即可浇铸——倒适量银粒放入熔炉升温到1020℃即可浇铸——把钢盅放入铸造机,边抽真空到底后倒入银水——倒满银水稍后取出放置冷却——冷却稍后用钢盅钳夹入水中爆冷炸树脂粉——冲洗完树脂粉,取出银件——把银件放入氢氟酸浸泡五分钟稍后取出用清水清晰,最后用剪钳剪下戒指,修水口,执模后放入抛光机抛光,最后一款银质珠宝就成品了。
  通过对加湿器产品创意设计典型案例的分析,详细介绍DLP打印机的具体应用,使学生对光固化技术的熟悉和掌握,形成3D打印教育创新应用。经过详细介绍DLP打印机的具体应用,让学生参与以上18个步骤的打印后处理,学生可以完整地参与到一款珠宝的制作过程,学生看到自己的创意设计在经过DLP打印后处理到最终成品,大大鼓励了学生的创意设计兴趣,使学生对光固化技术的熟悉和掌握,形成3D打印教育创新应用。
  4 结束语
  产品艺术设计专业学生的产品创意设计能力通过桌面DLP技术的3D打印机得到了充分地发挥,DLP技术在打印速度、设备体形、设备体重和价格方面的优势使其在教学方面发挥了更大的作用。
  参考文献:
  [1]高阳.三维打印技术在产品设计中的应用研究[D].北京工业大学,2012(01).
  [2]毕延刚.3D打印对高等院校工业设计专业教学的影响[A].国际工业设计研讨会暨第十八届全国工业设计学术年会[C].2013.
论文来源:《科技创新与应用》 2019年14期
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