基于FDM工藝的3D打印制作手辦探究

時慧 孟小源 顏子瀚 杜景洋

摘?要：作為動漫周邊衍生品的手辦隨著動漫產業的蓬勃發展，受到了很多動漫愛好者的喜愛，傳統的手辦制作工藝在設計、生產、版權等因素的影響下單個成本較高，且在設計風格上不一定符合動漫愛好者的審美喜好。隨著3D打印技術的發展，桌面級打印機逐漸走進了普通人的生活中，使得動漫愛好者可以自行制作符合自己喜歡的手辦。本文研究了傳統手辦制作的難點與3D打印制作手辦的優勢，并使用基于熔融沉積制造（Fused?Deposition?Modeling，FDM）工藝的3D打印機分析了手辦制作過程中影響其質量的因素，提出了合理的方法提高3D打印制作手辦的質量。

關鍵詞：動漫手辦；FDM；3D打??；質量提升

1?概述

由于互聯網的帶動，動漫行業在過去的十幾年間蓬勃發展起來，同時動漫周邊產業尤其是動漫手辦市場的迅速擴大。傳統手辦的制作工藝包含了很多較為復雜的鑄模、修模、開模等手工制作過程，且在知名的動漫IP中比如日本、歐美等國家占據了較大的份額［13］。隨著3D建模技術、桌面級3D打印技術的廣泛應用，手辦的設計、生產制造流程變得簡單，這給國內的手辦生產行業帶來了一個機遇，如何將新的生產技術運用到手辦的設計、制造中來，以期搭建一套新的生產工藝流程，最終使得我國的文化內涵以動漫產業化的形式向世界輸出［45］，這是一個值得深思的問題。

2?傳統手辦制作的難點

2.1?過高的手工技藝要求

在手辦批量生產之前，首先制作的就是手辦原型，這就要求制作手辦原型的制作者不僅充分了解所制作的動漫形象在作品中表現出的獨特魅力，還需要精通雕刻技藝，并且在手辦原型制作的過程中不能出現失誤，特別是一些細微的地方，如人物的發絲、衣服的褶皺、各種佩飾的紋路等，都需要雕刻得十分精細，這就要求制作者有非常豐富的經驗與熟練的技藝。

2.2?制作材料的危險性

傳統手辦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，這些材料在毒性方面雖然有差異，但是作為長期接觸這些材料的制作者來說必然會影響健康，因此很多熱愛該行業的制作者無法長時間從事這項工作。

2.3?傳統方式模塊化程度低

在傳統手辦的制作過程中，使用黏土、原子灰等材料制作的手辦原型基本上要從頭到尾地直接制作完成，但是手辦中同一個角色可能會被擺出不同的造型姿勢，身著不同的服飾、佩飾、裝備等，每次都要重新制作無疑在增加制作難度的同時還提高了成本。如果能夠使用模塊化方式設計制作手辦將會提高生產效率、產品質量與手辦把玩體驗，還可以降低手辦的制作成本。

3?3D技術在手辦制作中的優勢

3D技術的開發，給動漫領域中手辦原型的制作帶來了新的制作方式。在以標準化、效率優先的工業生產中，傳統的制作工藝會出現很多問題，例如，材料限制，使用的工具好壞，制作者個人技能水平的高低等因素，增加了手辦制作過程中的不確定性。但是基于3D打印技術的手辦制作就可以彌補以上的缺點，其具體的優勢如下：

3.1?3D打印的可塑性

傳統的手辦制作可能出現尺寸上的問題，例如，手辦尺寸不準確或者局部不協調的情況，手辦角色完成后頭部、衣服、裝備尺寸大小不合適，當出現這種情況時只能重新制作，這樣既浪費了材料又延長了制作周期。而基于3D打印技術制作手辦的過程中，可以隨時使用軟件對所設計的手辦模型進行細節上的調整。

3.2?減少制作材料浪費

材料浪費率也一直是手辦制作過程中需要考慮的一個重要指標。在手辦原型的制作中，純手工制作手辦原型，產生了較多的廢品材料；并且一旦制作的手辦原型出現問題就必須重新制作，無形中提高了制作手辦的成本。3D打印技術產生的廢料較少，為公司節約了成本，同時也減少了材料浪費帶來的環境污染問題。

3.3?改變手辦原型制作流程

傳統手辦原型的制作中需要經過搭建手辦骨架、專用材料塑形、手辦原型雕刻、手辦細節精修等步驟，制作者在這一過程中須要根據其經驗思考骨架結構、材料質量，以及如何更好地擺出展現角色個性的姿態等問題，制作過程中各種問題增加了新產品的開發周期?；?D打印技術進行手辦原型設計直接在軟件中對手辦進行各種參數的調整，不斷改進手辦的設計方案，在提高制作效率的同時，更提高了制作質量。

3.4?模塊化與更多彩的配色

傳統的手辦在制作過程中容易出現的問題較多，然而3D打印技術則能解決這些問題，例如設計手辦角色時可將不同的部位分開設計，并在不同部位的連接處設計合適的凹凸槽便于手辦更穩固地組裝。這種設計制作方式方便在同一個手辦角色采用不同的姿勢、裝備、服裝時，僅需要修改單個部位的設計就可以完成。傳統的手辦制作中角色的著色須要制作者對色彩有著很深刻的理解。如果著色出現問題，那么在灰?；虬啄ｋA段較高質量的作品就會因為著色的問題而成為次品?；?D打印技術可使用設計軟件中較為豐富的配色庫，方便制作者進行色彩的選擇和調試，修改角色各部位色彩搭配時也非常便利。

4?基于FDM工藝的3D打印手辦質量影響因素

4.1?制作時手辦的擺放位置

在使用FDM工藝的3D打印機中，手辦如何擺放對質量是有顯著影響的。與傳統的減材加工不同，同一個手辦，不同的擺放位置會影響模型支撐的位置形態、使用材料的多少、打印的時間、手辦模型的強度等方面。對于想使用3D打印技術制作手辦的制作者來說，樹立手辦的擺放位置是影響其質量的理念是很重要的。

4.2?FDM的分層厚度與補償量

采用FDM工藝的3D打印進行手辦制作時，堆疊的每一層都有一定的厚度，一般稱為分層厚度。在手辦制作過程中，會在已完成的表面產生一些肉眼可見的紋理，每層的厚度越厚，紋理越明顯，出現的這種情況將影響手辦成型后的實際尺寸誤差以及表面的粗糙程度，進而影響手辦的美觀。

4.3?打印溫度

3D打印溫度主要是指打印噴頭的溫度、工作臺的溫度和成型室溫度。打印噴頭溫度影響著打印材料的黏合性能、堆積性能、擠出絲材的流動速度以及擠出絲材的寬度。如果打印噴頭溫度低，材料黏度加大，擠絲速度變慢；如果溫度過高，則使絲材料偏向于液態，黏性系數變小，流動性增強，擠出過快，無法形成可精確控制的絲材。工作臺的溫度決定著3D打印材料是否能黏附到工作臺表面，也是成功進行打印的關鍵，工作臺的溫度太高或者太低，手辦黏附不到工作臺，打印的絲出現懸空現象。成型室溫度則會影響成型件的熱應力大小，溫度高雖有助于減少熱應力，但零件表面易起皺；溫度過低，從噴嘴擠出的絲材驟冷，將使成型件熱應力增加，易引起翹曲變形。

4.4?手辦支撐結構

設置手辦支撐結構是打印復雜手辦過程中一個非常重要的方面。使用支撐結構有其缺點：打印支撐結構增加了手辦的材料成本，并且在打印后就會被從手辦上拆除丟棄；打印支撐結構變相增加了打印量，增加了手辦的打印時間，同時后期拆除處理支撐結構也增加了后期處理的時間。打印支撐結構只在打印的過程中起到支撐手辦各部分的作用，并非是手辦的一部分，所以在打印結束拆除支撐結構時，增加了損壞手辦的風險。輕則會在手辦表面留下瑕疵，重則可能導致手辦的局部與支撐結構一起斷裂，如圖1所示；面對這樣的情況需在打印前調整支撐的位置，如圖2所示。

5?控制影響質量因素的方法

5.1?手辦的擺放位置

假設打印一個管狀體（中間帶孔的圓柱體），把圓柱面作為底面擺放，與圓柱面垂直的方向為Z方向，3D打印機只需要打印一層接一層的圓環，后一層幾乎可以完美疊加到前一層，這樣打印完畢后會得到一個有著比較精準圓環和幾乎光滑的外表面，如圖3（a）所示。如果把這個管狀體旋轉90度，底面變為圓柱的弧形面再來進行3D打印，雖然打印出的還是同一個物品，但從這個方向打印，3D打印機需要打印一層層寬度不斷變化的矩形，一層層疊加起來，層紋會比較嚴重，而且底面和中間圓孔都有可能產生支撐，造成圓孔和底面變形，如圖3（b）所示，影響最終產品的精度。由此可見，不同的擺放方向對于打印手辦的效果有比較大的影響。

5.2?分層厚度與補償量

對FDM技術而言，無法完全消除臺階紋，但可以通過設置較小的分層厚度進行改善。補償量指的是手辦實際加工輪廓線之間的距離值，那些對精度要求高的手辦來說，進行建模設計的時候就要盡量給出補償，尤其是內孔，補償量數值的設定與擠出絲的直徑、3D打印機性能等方面有關，須在長時間的設計操作中摸索。

5.3?合理的溫度控制

進行3D打印時要進行合理的溫度控制，為了使打印模型能順利成型，打印材料為PLA時，噴嘴溫度設定一般約195℃～200℃，ABS則是210℃～240℃，噴嘴加熱溫度太高或太低會影響打印質素。PLA在某種程度上很容易黏附到各種表面上，所以PLA成為易于3D打印的材料之一。雖然不帶加熱床打印PLA也可以，但打印平臺如果能加熱的話，對于打印大面積的PLA手辦能黏附得更好，一般溫度為50℃～65℃；abs熱床溫度需要在85℃以上，不帶保溫罩一般100℃比較合適。

5.4?合理設置模型支撐

一般的情況是：（1）如果手辦的垂直部分與垂直方向傾斜的角度小于45度，那么可以不使用3D打印支撐構造打印該部分，如果與垂直方向成45度以上角度的懸垂需要3D打印支撐構造。（2）并非所有的手辦水平部分都需要支撐，如果長度小于5mm，則打印機可以在不需要3D打印支撐構造的情況下進行打印，如果手辦水平部分長度超過5mm，需要添加3D打印支撐構造。（3）通過3D打印打印出可拆卸的3D打印支撐結構，如果只有一個噴頭，必須使用打印模型的相同材料來打印3D打印支撐構造，由于模型和3D打印支撐構造由相同的材料制成，因此分離它們的方法一般是通過手動斷開支撐構造或用刀切割。這些去除方法對模型有很大的破壞風險。（4）可溶化的3D打印支撐構造容易去除，但要兩個噴頭的打印機，如果打印機配有兩個噴頭，一個噴頭裝PLA材料打印模型，另一個噴頭裝水溶性材料，如PVA或Limonene可溶性材料，用于打印支撐構造。打印完之后，只需將模型浸入水中或檸檬烯中即可沖洗掉支撐構造。這種去除降低了模型損壞的風險，在使用之后容易處理，非常適合復雜的打印。

6?總結

在3D打印技術的加持下，手辦的制作擺脫了傳統生產的限制條件，降低了制作的成本，為動漫愛好者帶來了高性價比的選擇；同時在動漫周邊產業，提升了相關產品的開發速度，降低了開發產品的成本，對動漫周邊產業的發展有著重要的意義。3D打印技術在刺激動漫周邊產業發展的同時帶來的一些知識產權保護、發展水平不均衡等問題也是須思考和解決的。

參考文獻：

［1］宋羽.從3D打印技術論影視動漫衍生手辦模型的“重生”［J］.絲網印刷，2022（12）：3942.

［2］苑富淳.基于3D打印背景下的動漫手辦設計制作研究［J］.藝術品鑒，2022（03）：3840.

［3］趙航.3D打印在動漫手辦制作工藝中的運用分析［J］.藝術品鑒，2021（02）：163164.

［4］肖婕.3D打印技術應用于動漫衍生品開發的實踐研究［J］.上海包裝，2020（10）：69.

［5］余日季，劉舜.3D打印在動漫手辦制作工藝中的應用研究［J］.設計藝術研究，2020，10（02）：913.

基金項目：山東科技大學2023年教育教學研究“群星計劃”項目——基于大學生科技競賽的工程實訓創新教學模式研究（QX2023M77）；山東省高等教育本科教學改革研究項目——新時代工程實訓教學體系構建與教學模式探索實踐（Z2022271）

作者簡介：時慧喆（1990—?），男，山東萊陽人，碩士研究生，工程師，主要從事工程實訓教學研究。