关于3D打印机制作小尺寸建筑模型中存在问题的一些思考

关于3D打印机制作小尺寸建筑模型中存在问题的一些思考
作者：王宏仪托娅
来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2014年第01期
摘要：通过建筑STL模型分解、使用多打印头技术、PLA材料和PVA水溶性支撑材料提高建筑3D模型的打印尺寸和打印精度。

让3D打印技术在建筑设计教学内能够更普遍的使用。

关键词：3D打印技术 3D打印材料建筑模型打印
3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，在工业设计、建筑设计、工程和施工（AEC）、土木工程以及其他领域都有所应用。

由于3D打印技术在模型制作中的应用越来越广泛，在2014届建筑专业毕业生的毕业设计中，我们跟随社会趋势，把3D打印技术带入学生的毕业设计作品表现中来。

我们使用的3D 打印机是太尔时代的up 3D打印机，在建筑模型3D打印期间发现了一些问题，也因此有了一些思考。

1 遇到的问题
1.1 打印精度有待提高因为打印机打印提及的制约，我们将建筑模型打印在100*100*150 mm的范围内。

在这么小的尺寸里我们要想把模型的细节表现出来是很困难的，在建筑设计中的一些细部处理，在打印的时候没有办法很好的表现出来，只能看到一些概括了的轮廓。

另外在打印时因为ABS（塑胶原料树脂）材料的特点，其收缩率较高，打印的模型容易起翘而降低打印精度。

1.2 打印时间太长由于3D打印使用的是逐层打印的方法，因此每一个建筑模型在软件中都要分为400层以上，同时由于打印材料和打印技术的原因，需要把材料加热液化后才能打印，而为了保证材料的输入流畅，不会中断，打印机的材料挤出的速度较慢，这也直接导致打印耗时非常长。

在我们打印时，100*100*150 mm大小的模型用normal质量进行打印的时间均在6个小时以上。

1.3 支撑结构难以去除由于3D打印技术的特点，在对物体进行打印时，针对建筑的凹进突出部分需要有一定的支撑结构，而市面上大部分打印机使用的打印材料都是ABS材料，而
这种材料在进行支撑部分打印的时候没有办法很方便的进行取出，往往和物体的主要部分发生粘连，也间接的影响了打印精度和打印效果。

2 解决办法
针对以上的三个问题，经过我们的实验和3D打印机厂商技术指导的不断沟通，我们发现可以通过以下方法来进行解决：
2.1 打印精度方面：尽量在打印模型是将建筑STL模型分解为几块，这样在就可以避免因为打印头长距离移动而带来的精度方面都损失。

同时，将模型分解之后，就可以在打印区域中打印出更大的模型局部，可以表现更多的建筑细节。

针对ABS材料热胀冷缩的特点，我们可以在打印加热平台上添加耐高温胶带，这样可以让减少因为ABS材料因为热胀冷缩而引起的起翘，让打印精度得到提高。

或者在主要材料的选择上，我们可以选择PLA作为模型打印的主要材料来代替ABS材料。

PLA（物降解塑料聚乳酸）是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料。

聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。

由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好。

最重要的是和ABS材料相比，PLA材料具有更小的收缩比，在更加不容易起翘，材料的稳定性也更高。

2.2 打印时间过长：因为现阶段3D打印技术的限制，我们没有太多办法提高打印机的打印速度，但是未来3D打印机将普及应用多个打印头（2个以上），因此我们可以使用更多的打印头来进行模型的打印，从而提高打印效率。

而现阶段我们只能在打印设置里面去降低打印填充数和打印精度来提高打印速度。

前者会降低打印强度，后者会降低打印精度，都只能说是时间和效果上的一种妥协。

2.3 更易去除的支撑结构：现阶段，小尺寸3D打印机所使用的支撑材料是不易去除的ABS材料，在双打印头普及的今天，如果在辅助材料打印头中使用PVA材料则可以很好的解决支撑材料不易取出这个难题。

PVA聚乙烯醇树脂系列产品系白色固体，无毒无味、无污染，可在80--90℃水中溶解。

其水溶液有很好的粘接性和成膜性；能耐油类、润滑剂和烃类等大多数有机溶剂；具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质，非常适合用于3D打印技术中作为打印支撑材料。

在使用PVA作为支撑材料的3D打印机中，我们在模型打印完毕后只需要将打印模型放置于90℃的热水中就可以方便的取出支撑材料，不仅保留了模型的细节，同时也简化了模型支撑结构去除的工作，让教学中大量打印建筑模型更加方便。

需要注意的是，在实际中操作中吸入、摄入或经皮肤吸收PVA后会对身体有害，对眼睛和皮肤有醇刺激作用。

因此，我们在实际操作中应提供良好的自然通风条件。

操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程，以避免因PVA原料的使用而对操作人员造成的损害。

参考文献：
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