時(shí)慧 孟小源 顏?zhàn)渝?杜景洋

摘?要：作為動(dòng)漫周邊衍生品的手辦隨著動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，受到了很多動(dòng)漫愛好者的喜愛，傳統(tǒng)的手辦制作工藝在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、版權(quán)等因素的影響下單個(gè)成本較高，且在設(shè)計(jì)風(fēng)格上不一定符合動(dòng)漫愛好者的審美喜好。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，桌面級(jí)打印機(jī)逐漸走進(jìn)了普通人的生活中，使得動(dòng)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(tǒng)手辦制作的難點(diǎn)與3D打印制作手辦的優(yōu)勢，并使用基于熔融沉積制造（Fused?Deposition?Modeling，F(xiàn)DM）工藝的3D打印機(jī)分析了手辦制作過程中影響其質(zhì)量的因素，提出了合理的方法提高3D打印制作手辦的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：動(dòng)漫手辦；FDM；3D打??；質(zhì)量提升

1?概述

由于互聯(lián)網(wǎng)的帶動(dòng)，動(dòng)漫行業(yè)在過去的十幾年間蓬勃發(fā)展起來，同時(shí)動(dòng)漫周邊產(chǎn)業(yè)尤其是動(dòng)漫手辦市場的迅速擴(kuò)大。傳統(tǒng)手辦的制作工藝包含了很多較為復(fù)雜的鑄模、修模、開模等手工制作過程，且在知名的動(dòng)漫IP中比如日本、歐美等國家占據(jù)了較大的份額［13］。隨著3D建模技術(shù)、桌面級(jí)3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，手辦的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造流程變得簡單，這給國內(nèi)的手辦生產(chǎn)行業(yè)帶來了一個(gè)機(jī)遇，如何將新的生產(chǎn)技術(shù)運(yùn)用到手辦的設(shè)計(jì)、制造中來，以期搭建一套新的生產(chǎn)工藝流程，最終使得我國的文化內(nèi)涵以動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)化的形式向世界輸出［45］，這是一個(gè)值得深思的問題。

2?傳統(tǒng)手辦制作的難點(diǎn)

2.1?過高的手工技藝要求

在手辦批量生產(chǎn)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(dòng)漫形象在作品中表現(xiàn)出的獨(dú)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(xiàn)失誤，特別是一些細(xì)微的地方，如人物的發(fā)絲、衣服的褶皺、各種佩飾的紋路等，都需要雕刻得十分精細(xì)，這就要求制作者有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)與熟練的技藝。

2.2?制作材料的危險(xiǎn)性

傳統(tǒng)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(huì)影響健康，因此很多熱愛該行業(yè)的制作者無法長時(shí)間從事這項(xiàng)工作。

2.3?傳統(tǒng)方式模塊化程度低

在傳統(tǒng)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(gè)角色可能會(huì)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(shí)還提高了成本。如果能夠使用模塊化方式設(shè)計(jì)制作手辦將會(huì)提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與手辦把玩體驗(yàn)，還可以降低手辦的制作成本。

3?3D技術(shù)在手辦制作中的優(yōu)勢

3D技術(shù)的開發(fā)，給動(dòng)漫領(lǐng)域中手辦原型的制作帶來了新的制作方式。在以標(biāo)準(zhǔn)化、效率優(yōu)先的工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的制作工藝會(huì)出現(xiàn)很多問題，例如，材料限制，使用的工具好壞，制作者個(gè)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(shù)的手辦制作就可以彌補(bǔ)以上的缺點(diǎn)，其具體的優(yōu)勢如下：

3.1?3D打印的可塑性

傳統(tǒng)的手辦制作可能出現(xiàn)尺寸上的問題，例如，手辦尺寸不準(zhǔn)確或者局部不協(xié)調(diào)的情況，手辦角色完成后頭部、衣服、裝備尺寸大小不合適，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)只能重新制作，這樣既浪費(fèi)了材料又延長了制作周期。而基于3D打印技術(shù)制作手辦的過程中，可以隨時(shí)使用軟件對所設(shè)計(jì)的手辦模型進(jìn)行細(xì)節(jié)上的調(diào)整。

3.2?減少制作材料浪費(fèi)

材料浪費(fèi)率也一直是手辦制作過程中需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。在手辦原型的制作中，純手工制作手辦原型，產(chǎn)生了較多的廢品材料；并且一旦制作的手辦原型出現(xiàn)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(shù)產(chǎn)生的廢料較少，為公司節(jié)約了成本，同時(shí)也減少了材料浪費(fèi)帶來的環(huán)境污染問題。

3.3?改變手辦原型制作流程

傳統(tǒng)手辦原型的制作中需要經(jīng)過搭建手辦骨架、專用材料塑形、手辦原型雕刻、手辦細(xì)節(jié)精修等步驟，制作者在這一過程中須要根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)思考骨架結(jié)構(gòu)、材料質(zhì)量，以及如何更好地?cái)[出展現(xiàn)角色個(gè)性的姿態(tài)等問題，制作過程中各種問題增加了新產(chǎn)品的開發(fā)周期?；?D打印技術(shù)進(jìn)行手辦原型設(shè)計(jì)直接在軟件中對手辦進(jìn)行各種參數(shù)的調(diào)整，不斷改進(jìn)手辦的設(shè)計(jì)方案，在提高制作效率的同時(shí)，更提高了制作質(zhì)量。

3.4?模塊化與更多彩的配色

傳統(tǒng)的手辦在制作過程中容易出現(xiàn)的問題較多，然而3D打印技術(shù)則能解決這些問題，例如設(shè)計(jì)手辦角色時(shí)可將不同的部位分開設(shè)計(jì)，并在不同部位的連接處設(shè)計(jì)合適的凹凸槽便于手辦更穩(wěn)固地組裝。這種設(shè)計(jì)制作方式方便在同一個(gè)手辦角色采用不同的姿勢、裝備、服裝時(shí)，僅需要修改單個(gè)部位的設(shè)計(jì)就可以完成。傳統(tǒng)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(xiàn)問題，那么在灰?；虬啄ｋA段較高質(zhì)量的作品就會(huì)因?yàn)橹膯栴}而成為次品?；?D打印技術(shù)可使用設(shè)計(jì)軟件中較為豐富的配色庫，方便制作者進(jìn)行色彩的選擇和調(diào)試，修改角色各部位色彩搭配時(shí)也非常便利。

4?基于FDM工藝的3D打印手辦質(zhì)量影響因素

4.1?制作時(shí)手辦的擺放位置

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

4.2?FDM的分層厚度與補(bǔ)償量

采用FDM工藝的3D打印進(jìn)行手辦制作時(shí)，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(huì)在已完成的表面產(chǎn)生一些肉眼可見的紋理，每層的厚度越厚，紋理越明顯，出現(xiàn)的這種情況將影響手辦成型后的實(shí)際尺寸誤差以及表面的粗糙程度，進(jìn)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(tái)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(dòng)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(tài)，黏性系數(shù)變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，擠出過快，無法形成可精確控制的絲材。工作臺(tái)的溫度決定著3D打印材料是否能黏附到工作臺(tái)表面，也是成功進(jìn)行打印的關(guān)鍵，工作臺(tái)的溫度太高或者太低，手辦黏附不到工作臺(tái)，打印的絲出現(xiàn)懸空現(xiàn)象。成型室溫度則會(huì)影響成型件的熱應(yīng)力大小，溫度高雖有助于減少熱應(yīng)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(yīng)力增加，易引起翹曲變形。

4.4?手辦支撐結(jié)構(gòu)

設(shè)置手辦支撐結(jié)構(gòu)是打印復(fù)雜手辦過程中一個(gè)非常重要的方面。使用支撐結(jié)構(gòu)有其缺點(diǎn)：打印支撐結(jié)構(gòu)增加了手辦的材料成本，并且在打印后就會(huì)被從手辦上拆除丟棄；打印支撐結(jié)構(gòu)變相增加了打印量，增加了手辦的打印時(shí)間，同時(shí)后期拆除處理支撐結(jié)構(gòu)也增加了后期處理的時(shí)間。打印支撐結(jié)構(gòu)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(jié)束拆除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，增加了損壞手辦的風(fēng)險(xiǎn)。輕則會(huì)在手辦表面留下瑕疵，重則可能導(dǎo)致手辦的局部與支撐結(jié)構(gòu)一起斷裂，如圖1所示；面對這樣的情況需在打印前調(diào)整支撐的位置，如圖2所示。

5?控制影響質(zhì)量因素的方法

5.1?手辦的擺放位置

假設(shè)打印一個(gè)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?yàn)閆方向，3D打印機(jī)只需要打印一層接一層的圓環(huán)，后一層幾乎可以完美疊加到前一層，這樣打印完畢后會(huì)得到一個(gè)有著比較精準(zhǔn)圓環(huán)和幾乎光滑的外表面，如圖3（a）所示。如果把這個(gè)管狀體旋轉(zhuǎn)90度，底面變?yōu)閳A柱的弧形面再來進(jìn)行3D打印，雖然打印出的還是同一個(gè)物品，但從這個(gè)方向打印，3D打印機(jī)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(huì)比較嚴(yán)重，而且底面和中間圓孔都有可能產(chǎn)生支撐，造成圓孔和底面變形，如圖3（b）所示，影響最終產(chǎn)品的精度。由此可見，不同的擺放方向?qū)τ诖蛴∈洲k的效果有比較大的影響。

5.2?分層厚度與補(bǔ)償量

對FDM技術(shù)而言，無法完全消除臺(tái)階紋，但可以通過設(shè)置較小的分層厚度進(jìn)行改善。補(bǔ)償量指的是手辦實(shí)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(jìn)行建模設(shè)計(jì)的時(shí)候就要盡量給出補(bǔ)償，尤其是內(nèi)孔，補(bǔ)償量數(shù)值的設(shè)定與擠出絲的直徑、3D打印機(jī)性能等方面有關(guān)，須在長時(shí)間的設(shè)計(jì)操作中摸索。

5.3?合理的溫度控制

進(jìn)行3D打印時(shí)要進(jìn)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(shí)，噴嘴溫度設(shè)定一般約195℃～200℃，ABS則是210℃～240℃，噴嘴加熱溫度太高或太低會(huì)影響打印質(zhì)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(tái)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(shè)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(gòu)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(gòu)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(jī)可以在不需要3D打印支撐構(gòu)造的情況下進(jìn)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(gòu)造。（3）通過3D打印打印出可拆卸的3D打印支撐結(jié)構(gòu)，如果只有一個(gè)噴頭，必須使用打印模型的相同材料來打印3D打印支撐構(gòu)造，由于模型和3D打印支撐構(gòu)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(dòng)斷開支撐構(gòu)造或用刀切割。這些去除方法對模型有很大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。（4）可溶化的3D打印支撐構(gòu)造容易去除，但要兩個(gè)噴頭的打印機(jī)，如果打印機(jī)配有兩個(gè)噴頭，一個(gè)噴頭裝PLA材料打印模型，另一個(gè)噴頭裝水溶性材料，如PVA或Limonene可溶性材料，用于打印支撐構(gòu)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(gòu)造。這種去除降低了模型損壞的風(fēng)險(xiǎn)，在使用之后容易處理，非常適合復(fù)雜的打印。

6?總結(jié)

在3D打印技術(shù)的加持下，手辦的制作擺脫了傳統(tǒng)生產(chǎn)的限制條件，降低了制作的成本，為動(dòng)漫愛好者帶來了高性價(jià)比的選擇；同時(shí)在動(dòng)漫周邊產(chǎn)業(yè)，提升了相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)速度，降低了開發(fā)產(chǎn)品的成本，對動(dòng)漫周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。3D打印技術(shù)在刺激動(dòng)漫周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)帶來的一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、發(fā)展水平不均衡等問題也是須思考和解決的。

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基金項(xiàng)目：山東科技大學(xué)2023年教育教學(xué)研究“群星計(jì)劃”項(xiàng)目——基于大學(xué)生科技競賽的工程實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新教學(xué)模式研究（QX2023M77）；山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目——新時(shí)代工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系構(gòu)建與教學(xué)模式探索實(shí)踐（Z2022271）

作者簡介：時(shí)慧喆（1990—?），男，山東萊陽人，碩士研究生，工程師，主要從事工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究。