基于FDM工艺的3D打印制作手办探究

时慧 孟小源 颜子瀚 杜景洋

摘 要：作为动漫周边衍生品的手办随着动漫产业的蓬勃发展，受到了很多动漫爱好者的喜爱，传统的手办制作工艺在设计、生产、版权等因素的影响下单个成本较高，且在设计风格上不一定符合动漫爱好者的审美喜好。随着3D打印技术的发展，桌面级打印机逐漸走进了普通人的生活中，使得动漫爱好者可以自行制作符合自己喜欢的手办。本文研究了传统手办制作的难点与3D打印制作手办的优势，并使用基于熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling，FDM）工艺的3D打印机分析了手办制作过程中影响其质量的因素，提出了合理的方法提高3D打印制作手办的质量。

关键词：动漫手办；FDM；3D打印；质量提升

1 概述

由于互联网的带动，动漫行业在过去的十几年间蓬勃发展起来，同时动漫周边产业尤其是动漫手办市场的迅速扩大。传统手办的制作工艺包含了很多较为复杂的铸模、修模、开模等手工制作过程，且在知名的动漫IP中比如日本、欧美等国家占据了较大的份额［13］。随着3D建模技术、桌面级3D打印技术的广泛应用，手办的设计、生产制造流程变得简单，这给国内的手办生产行业带来了一个机遇，如何将新的生产技术运用到手办的设计、制造中来，以期搭建一套新的生产工艺流程，最终使得我国的文化内涵以动漫产业化的形式向世界输出［45］，这是一个值得深思的问题。

2 传统手办制作的难点

2.1 过高的手工技艺要求

在手办批量生产之前，首先制作的就是手办原型，这就要求制作手办原型的制作者不仅充分了解所制作的动漫形象在作品中表现出的独特魅力，还需要精通雕刻技艺，并且在手办原型制作的过程中不能出现失误，特别是一些细微的地方，如人物的发丝、衣服的褶皱、各种佩饰的纹路等，都需要雕刻得十分精细，这就要求制作者有非常丰富的经验与熟练的技艺。

2.2 制作材料的危险性

传统手办原型制作可以使用不同的材料，如精雕油泥、原子灰、石粉黏土、AB土等，这些材料在毒性方面虽然有差异，但是作为长期接触这些材料的制作者来说必然会影响健康，因此很多热爱该行业的制作者无法长时间从事这项工作。

2.3 传统方式模块化程度低

在传统手办的制作过程中，使用黏土、原子灰等材料制作的手办原型基本上要从头到尾地直接制作完成，但是手办中同一个角色可能会被摆出不同的造型姿势，身着不同的服饰、佩饰、装备等，每次都要重新制作无疑在增加制作难度的同时还提高了成本。如果能够使用模块化方式设计制作手办将会提高生产效率、产品质量与手办把玩体验，还可以降低手办的制作成本。

3 3D技术在手办制作中的优势

3D技术的开发，给动漫领域中手办原型的制作带来了新的制作方式。在以标准化、效率优先的工业生产中，传统的制作工艺会出现很多问题，例如，材料限制，使用的工具好坏，制作者个人技能水平的高低等因素，增加了手办制作过程中的不确定性。但是基于3D打印技术的手办制作就可以弥补以上的缺点，其具体的优势如下：

3.1 3D打印的可塑性

传统的手办制作可能出现尺寸上的问题，例如，手办尺寸不准确或者局部不协调的情况，手办角色完成后头部、衣服、装备尺寸大小不合适，当出现这种情况时只能重新制作，这样既浪费了材料又延长了制作周期。而基于3D打印技术制作手办的过程中，可以随时使用软件对所设计的手办模型进行细节上的调整。

3.2 减少制作材料浪费

材料浪费率也一直是手办制作过程中需要考虑的一个重要指标。在手办原型的制作中，纯手工制作手办原型，产生了较多的废品材料；并且一旦制作的手办原型出现问题就必须重新制作，无形中提高了制作手办的成本。3D打印技术产生的废料较少，为公司节约了成本，同时也减少了材料浪费带来的环境污染问题。

3.3 改变手办原型制作流程

传统手办原型的制作中需要经过搭建手办骨架、专用材料塑形、手办原型雕刻、手办细节精修等步骤，制作者在这一过程中须要根据其经验思考骨架结构、材料质量，以及如何更好地摆出展现角色个性的姿态等问题，制作过程中各种问题增加了新产品的开发周期。基于3D打印技术进行手办原型设计直接在软件中对手办进行各种参数的调整，不断改进手办的设计方案，在提高制作效率的同时，更提高了制作质量。

3.4 模块化与更多彩的配色

传统的手办在制作过程中容易出现的问题较多，然而3D打印技术则能解决这些问题，例如设计手办角色时可将不同的部位分开设计，并在不同部位的连接处设计合适的凹凸槽便于手办更稳固地组装。这种设计制作方式方便在同一个手办角色采用不同的姿势、装备、服装时，仅需要修改单个部位的设计就可以完成。传统的手办制作中角色的着色须要制作者对色彩有着很深刻的理解。如果着色出现问题，那么在灰模或白模阶段较高质量的作品就会因为着色的问题而成为次品。基于3D打印技术可使用设计软件中较为丰富的配色库，方便制作者进行色彩的选择和调试，修改角色各部位色彩搭配时也非常便利。

4 基于FDM工艺的3D打印手办质量影响因素

4.1 制作时手办的摆放位置

在使用FDM工艺的3D打印机中，手办如何摆放对质量是有显著影响的。与传统的减材加工不同，同一个手办，不同的摆放位置会影响模型支撑的位置形态、使用材料的多少、打印的时间、手办模型的强度等方面。对于想使用3D打印技术制作手办的制作者来说，树立手办的摆放位置是影响其质量的理念是很重要的。

4.2 FDM的分层厚度与补偿量

采用FDM工艺的3D打印进行手办制作时，堆叠的每一层都有一定的厚度，一般称为分层厚度。在手办制作过程中，会在已完成的表面产生一些肉眼可见的纹理，每层的厚度越厚，纹理越明显，出现的这种情况将影响手办成型后的实际尺寸误差以及表面的粗糙程度，进而影响手办的美观。

4.3 打印温度

3D打印温度主要是指打印喷头的温度、工作台的温度和成型室温度。打印喷头温度影响着打印材料的黏合性能、堆积性能、挤出丝材的流动速度以及挤出丝材的宽度。如果打印喷头温度低，材料黏度加大，挤丝速度变慢；如果温度过高，则使丝材料偏向于液态，黏性系数变小，流动性增强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝材。工作台的温度决定着3D打印材料是否能黏附到工作台表面，也是成功进行打印的关键，工作台的温度太高或者太低，手办黏附不到工作台，打印的丝出现悬空现象。成型室温度则会影响成型件的热应力大小，温度高虽有助于减少热应力，但零件表面易起皱；温度过低，从喷嘴挤出的丝材骤冷，将使成型件热应力增加，易引起翘曲变形。

4.4 手办支撑结构

设置手办支撑结构是打印复杂手办过程中一个非常重要的方面。使用支撑结构有其缺点：打印支撑结构增加了手办的材料成本，并且在打印后就会被从手办上拆除丢弃；打印支撑结构变相增加了打印量，增加了手办的打印时间，同时后期拆除处理支撑结构也增加了后期处理的时间。打印支撑结构只在打印的过程中起到支撑手办各部分的作用，并非是手办的一部分，所以在打印结束拆除支撑结构时，增加了损坏手办的风险。轻则会在手办表面留下瑕疵，重则可能导致手办的局部与支撑结构一起断裂，如图1所示；面对这样的情况需在打印前调整支撑的位置，如图2所示。

5 控制影响质量因素的方法

5.1 手办的摆放位置

假设打印一个管状体（中间带孔的圆柱体），把圆柱面作为底面摆放，与圆柱面垂直的方向为Z方向，3D打印机只需要打印一层接一层的圆环，后一层几乎可以完美叠加到前一层，这样打印完毕后会得到一个有着比较精准圆环和几乎光滑的外表面，如图3（a）所示。如果把这个管状体旋转90度，底面变为圆柱的弧形面再来进行3D打印，虽然打印出的还是同一个物品，但从这个方向打印，3D打印机需要打印一层层宽度不断变化的矩形，一层层叠加起来，层纹会比较严重，而且底面和中间圆孔都有可能产生支撑，造成圆孔和底面变形，如图3（b）所示，影响最终产品的精度。由此可见，不同的摆放方向对于打印手办的效果有比较大的影响。

5.2 分层厚度与补偿量

对FDM技术而言，无法完全消除台阶纹，但可以通过设置较小的分层厚度进行改善。补偿量指的是手办实际加工轮廓线之间的距离值，那些對精度要求高的手办来说，进行建模设计的时候就要尽量给出补偿，尤其是内孔，补偿量数值的设定与挤出丝的直径、3D打印机性能等方面有关，须在长时间的设计操作中摸索。

5.3 合理的温度控制

进行3D打印时要进行合理的温度控制，为了使打印模型能顺利成型，打印材料为PLA时，喷嘴温度设定一般约195℃～200℃，ABS则是210℃～240℃，喷嘴加热温度太高或太低会影响打印质素。PLA在某种程度上很容易黏附到各种表面上，所以PLA成为易于3D打印的材料之一。虽然不带加热床打印PLA也可以，但打印平台如果能加热的话，对于打印大面积的PLA手办能黏附得更好，一般温度为50℃～65℃；abs热床温度需要在85℃以上，不带保温罩一般100℃比较合适。

5.4 合理设置模型支撑

一般的情况是：（1）如果手办的垂直部分与垂直方向倾斜的角度小于45度，那么可以不使用3D打印支撑构造打印该部分，如果与垂直方向成45度以上角度的悬垂需要3D打印支撑构造。（2）并非所有的手办水平部分都需要支撑，如果长度小于5mm，则打印机可以在不需要3D打印支撑构造的情况下进行打印，如果手办水平部分长度超过5mm，需要添加3D打印支撑构造。（3）通过3D打印打印出可拆卸的3D打印支撑结构，如果只有一个喷头，必须使用打印模型的相同材料来打印3D打印支撑构造，由于模型和3D打印支撑构造由相同的材料制成，因此分离它们的方法一般是通过手动断开支撑构造或用刀切割。这些去除方法对模型有很大的破坏风险。（4）可溶化的3D打印支撑构造容易去除，但要两个喷头的打印机，如果打印机配有两个喷头，一个喷头装PLA材料打印模型，另一个喷头装水溶性材料，如PVA或Limonene可溶性材料，用于打印支撑构造。打印完之后，只需将模型浸入水中或柠檬烯中即可冲洗掉支撑构造。这种去除降低了模型损坏的风险，在使用之后容易处理，非常适合复杂的打印。

6 总结

在3D打印技术的加持下，手办的制作摆脱了传统生产的限制条件，降低了制作的成本，为动漫爱好者带来了高性价比的选择；同时在动漫周边产业，提升了相关产品的开发速度，降低了开发产品的成本，对动漫周边产业的发展有着重要的意义。3D打印技术在刺激动漫周边产业发展的同时带来的一些知识产权保护、发展水平不均衡等问题也是须思考和解决的。

参考文献：

［1］宋羽.从3D打印技术论影视动漫衍生手办模型的“重生”［J］.丝网印刷，2022（12）：3942.

［2］苑富淳.基于3D打印背景下的动漫手办设计制作研究［J］.艺术品鉴，2022（03）：3840.

［3］赵航.3D打印在动漫手办制作工艺中的运用分析［J］.艺术品鉴，2021（02）：163164.

［4］肖婕.3D打印技术应用于动漫衍生品开发的实践研究［J］.上海包装，2020（10）：69.

［5］余日季，刘舜.3D打印在动漫手办制作工艺中的应用研究［J］.设计艺术研究，2020，10（02）：913.

基金项目：山东科技大学2023年教育教学研究“群星计划”项目——基于大学生科技竞赛的工程实训创新教学模式研究（QX2023M77）；山东省高等教育本科教学改革研究项目——新时代工程实训教学体系构建与教学模式探索实践（Z2022271）

作者简介：时慧喆（1990— ），男，山东莱阳人，硕士研究生，工程师，主要从事工程实训教学研究。