3D打印技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)新模式

楊艷石

摘要：為高效設(shè)計(jì)出多元化、個(gè)性化和多形態(tài)的產(chǎn)品，提出基于3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究。梳理了3D打印技術(shù)的概念和發(fā)展歷程，分析了3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和類型特征，并結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)器大規(guī)模生產(chǎn)和手工制造的模式，論述了將3D打印技術(shù)融于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”向“從零起點(diǎn)到規(guī)模化生產(chǎn)”和“設(shè)計(jì)眾包”的設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上，提出了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用3D打印技術(shù)的眾多益處。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì) 3D打印技術(shù) 增材制造技術(shù)

中圖分類號：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）10-0082-02

工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、財(cái)政部印發(fā)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》，提出到2016年，初步建立較為完善的增材制造（又稱“3D打印”）產(chǎn)業(yè)體系。來自全球領(lǐng)先的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)第三方數(shù)據(jù)挖掘和整合營銷機(jī)構(gòu)iiMedia Research（艾媒咨詢）近日發(fā)布了《2015中國3D打印市場研究報(bào)告》3D打印技術(shù)席卷各行業(yè)領(lǐng)域，主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療、教育、航天、考古、建筑和軍事等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)將從實(shí)驗(yàn)室逐步走向市場應(yīng)用，而隨著技術(shù)的成熟，3D打印將會應(yīng)用在更多領(lǐng)域，改變著人們的生產(chǎn)生活方式。

1 3D打印技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)又稱之為增材制造技術(shù)，是快速成型技術(shù)（RapidPrototyping Manufacturing）的一種，是以經(jīng)過智能處理后的3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合性材料，通過逐層增加材料的方式來構(gòu)造任意復(fù)雜物體的技術(shù)。3D打印是通過一層層堆積的方式，運(yùn)用“加法”的加工工藝來構(gòu)建形體，而傳統(tǒng)的切、削、車、銑、磨等是運(yùn)用“減法”的加工工藝。3D打印的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)制作模型依賴模型工依據(jù)圖紙制作每個(gè)零部件，然后組裝驗(yàn)證的復(fù)雜、漫長過程，3D打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)加工工藝“伸不進(jìn)、夠不著”以及不能加工任意復(fù)雜的中空形體的難題。

1.2 3D打印技術(shù)的工作原理

3D打印是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過材料層層疊加的方式形成三維實(shí)體模型。3D打印機(jī)在三維數(shù)字模型文件指令的引導(dǎo)下，打印噴頭根據(jù)模型每層的橫截面的路徑軌跡，噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料形成一個(gè)X、Y軸的二維薄層面，第一層固化后，噴頭再次返回，在第一層的基礎(chǔ)上疊加出第二層，如此往復(fù)，最終通過N層的薄層累積形成三維實(shí)體模型。

3D打印技術(shù)的學(xué)名為“增材制造技術(shù)”，又稱“產(chǎn)品快速成型技術(shù)”是對3D打印機(jī)的工作原理做出的直白解釋?！霸霾摹笔侵?D打印通過原材料沉積或黏合為材料層以構(gòu)建成三維實(shí)體的打印方法，“制造”是指3D打印機(jī)通過某些殼測量、可重復(fù)、系統(tǒng)性的過程制造材料層。

1.3 3D打印的成型工藝

目前3D打印技術(shù)成型工藝中以SLA、SLS、FDM和3DP等發(fā)展得較為成熟。不同的工藝技術(shù)在所使用的材料和成型方式E有所不同，因此也都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)該領(lǐng)域的不同。

世界上第一臺3D打印機(jī)采用的就是SLA技術(shù)。

SLA全稱為光固化立體成型（Stereo Iithography Appearance）。SLA的工作原理（見圖1）：在容器里裝有透明、有黏性的液態(tài)光敏樹脂等材料，采用紫外激光束照射，按照數(shù)字模型轉(zhuǎn)換的路徑層面，使之快速固化、逐層成型。

SLS全稱為選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering），該工藝屬于粉末、絲狀材料高能束燒結(jié)或熔化成型。SLS工作原理（見圖2）：利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)成型。首先鋪粉輥筒在工作臺上均勻地鋪上一層粉末材料并刮平，然后模型文件的切片軌跡控制高強(qiáng)度的激光器，進(jìn)行有選擇地在該層截面上掃描，使固體粉末溫度升至熔點(diǎn)，然后燒結(jié)形成黏結(jié)；其次，粉末完成一個(gè)層面的后，工作臺下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)在鋪上新粉，激光束在進(jìn)行掃描燒結(jié)，如此往復(fù)，層層疊加，直到形成3D物體。

FDM全稱為：熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling），該工藝屬于絲材基礎(chǔ)熱熔成型。FDM工作原理（見圖3）：將絲狀材料的熱塑性材料通過導(dǎo)管送入噴頭，在噴頭內(nèi)加熱熔化，通過噴頭下方的微細(xì)噴嘴擠壓噴出，隨后噴頭沿著一系列的水平、垂直軌道構(gòu)建一個(gè)層面的橫截面和輪廓，第一層打印完成后，打印的噴頭沿z軸會略微抬起，繼續(xù)熔絲沉積下一個(gè)層面，直到打印出整個(gè)實(shí)體模型。

2 3D打印技術(shù)革新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

近年來，3D打印技術(shù)由于其增材制造工藝的優(yōu)勢，越來越多地被用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的流程中。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)建立在大規(guī)模生產(chǎn)方式上，然后又受限于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的基本經(jīng)濟(jì)規(guī)律之中，所以導(dǎo)致設(shè)計(jì)師的許多創(chuàng)新理念束縛在制造技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、消費(fèi)價(jià)格以及企業(yè)的利潤等問題上。

產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)雖然具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，卻是以犧牲產(chǎn)品的多樣性為代價(jià)，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)不能再適應(yīng)變化越來越快的市場需求和激烈的競爭。第一，大規(guī)模生產(chǎn)為了適應(yīng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，增加企業(yè)的利潤，必須降低批量生產(chǎn)產(chǎn)品的價(jià)格，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品必須出售大量相同的產(chǎn)品才可以從中獲益，這意味著消費(fèi)者個(gè)性化需求的特點(diǎn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中難以實(shí)現(xiàn)；第二，大規(guī)模生產(chǎn)要依靠工廠和生產(chǎn)線，這就存在產(chǎn)品制造企業(yè)必須購買大規(guī)模的加工機(jī)器和配套場地，同時(shí)還必須雇用技術(shù)人員和工程師，從而可以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠成功地轉(zhuǎn)為實(shí)際的產(chǎn)品；第三，進(jìn)行批量生產(chǎn)的產(chǎn)品在制造的過程中會受到產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)、材料和機(jī)器設(shè)備等的制約。相比較傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)制造，手工制造不需要投資建廠，也不需要雇用熟練的設(shè)計(jì)師、技術(shù)人員和工程師，但是如果一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念在制作成產(chǎn)品后被證實(shí)存在致命缺陷，那么這個(gè)產(chǎn)品基本上被認(rèn)定為是失敗品，手工制造者得承受材料上和時(shí)間上的浪費(fèi)等，而且手工制造的缺點(diǎn)是不具備規(guī)?；a(chǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大眾對多元化、個(gè)性化和多形態(tài)產(chǎn)品需求已經(jīng)成為現(xiàn)代消費(fèi)的發(fā)展趨勢，增材制造技術(shù)引領(lǐng)著批量制造模式向個(gè)性化制造模式的發(fā)展。相比較傳統(tǒng)減材的生產(chǎn)方式，3D打印的增材制造工藝能夠拓展設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維，使得設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品初期的創(chuàng)造思維不受制約。設(shè)計(jì)師可以盡情地拓展想象空間，把在虛擬世界中創(chuàng)造“作品”帶到現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行修改、完善和再創(chuàng)新，將設(shè)計(jì)圖紙快速成型使之具象化。產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化特征更加明顯，可以使得消費(fèi)者不再是被動(dòng)地接受產(chǎn)品，而是根據(jù)消費(fèi)者本身的個(gè)性以及實(shí)際需求對眾多個(gè)性化產(chǎn)品進(jìn)行挑選。

其次，通過3D打印出來的產(chǎn)品可以很好地作為設(shè)計(jì)交流媒介。產(chǎn)品虛擬概念模型通過3D打印機(jī)輸出實(shí)物模型，便于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中的每位成員以及客戶直觀體驗(yàn)，從而深入完善設(shè)計(jì)理念的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到無縫對接的協(xié)同工作狀態(tài)。

再者，3D打印在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，可以縮短產(chǎn)品成型的周期以及降低研發(fā)的成本。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的缺陷，能夠在早期階段被析出并加以解決，最大限度地減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間?？s短產(chǎn)品的研發(fā)周期，也就提高了產(chǎn)品市場轉(zhuǎn)化的效率，增強(qiáng)了市場競爭力。同時(shí)，3D打印能夠快速進(jìn)行新產(chǎn)品進(jìn)行測試，以便于適應(yīng)不斷變化的市場需求，從而可以幫助新產(chǎn)品降低推向市場的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

最后，3D打印還可以推進(jìn)體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)可以讓消費(fèi)者獲得新的技能，還可以讓消費(fèi)者在設(shè)計(jì)和制作過程中獲得滿足感。3D打印可以打破傳統(tǒng)沉悶的用戶體驗(yàn)，消費(fèi)者可以恨據(jù)自己的需求，進(jìn)行數(shù)字化三維建模或者獲取開放的數(shù)字模型文件，使用3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品需求。這種體驗(yàn)式產(chǎn)品開發(fā)模式，將打破設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者間的鴻溝，實(shí)現(xiàn)全民參與的“民主設(shè)計(jì)”新時(shí)代。所以將3D打印技術(shù)運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以改變原有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)模式所帶來的束縛，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)眾包的設(shè)計(jì)模式。

3 3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展望

傳統(tǒng)大規(guī)模機(jī)器生產(chǎn)具有高效優(yōu)勢，能夠降低生產(chǎn)成本，但由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的制約，產(chǎn)品的多樣性和定制性受到制約。相比較，手工制造雖然能輕松生產(chǎn)出個(gè)性化的產(chǎn)品，但滿足不了規(guī)?；⑴炕男枨?。3D打印技術(shù)突破了以往制造中受眾多因素限制，如：在產(chǎn)品的造型形態(tài)上、功能上、機(jī)器設(shè)備上以及材料上等方面，它可以將精準(zhǔn)的數(shù)字技術(shù)、工廠的可重復(fù)性和工匠的設(shè)計(jì)自由結(jié)合在一起。

雖然3D打印已經(jīng)快速滲透到人們的生活中，改變著人們的生活方式，但也帶來了很多新的問題和挑戰(zhàn)。第一，三維數(shù)字化模型是3D打印機(jī)輸出的前提，三維設(shè)計(jì)軟件是構(gòu)建三維數(shù)字模型的方法之一。目前，眾多的三維設(shè)計(jì)軟件對大眾而言，有一定的入門難度，往往依賴于專業(yè)的設(shè)計(jì)師，因此，三維軟件的簡易化、普及化是快速培養(yǎng)3D打印行業(yè)人才的重要因素之一。第二、優(yōu)化3D打印硬件技術(shù)，降低3D打印成本。3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)80年代就出現(xiàn)，中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟將其稱作“19世紀(jì)的思想，20世紀(jì)的技術(shù)，21世紀(jì)的市場”。雖然3D打印在近幾年里得到了迅速發(fā)展，在不同行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，但由于3D打印設(shè)備和使用成本上還處于比較昂貴的狀態(tài)，所以發(fā)展和提高3D打印的技術(shù)，研發(fā)“平民化”3D打印設(shè)備，是普及3D打印技術(shù)的重要因素之一。第三，目前3D打印多數(shù)使用PLA、ABS、光敏樹脂、尼龍等材料，而生物類材料和復(fù)合型類的材料都還在停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此，要拓展3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，要不斷研發(fā)出新材料，形成多元化的3D打印材料。第四，3D打印的產(chǎn)品質(zhì)量以及打印物品的版權(quán)糾紛等問題亟待解決。目前MakerBot公司的Thingiverse和Google的3D模型庫都提供3D模型的下載，用戶只要登錄網(wǎng)址選擇適合的模型文件進(jìn)行下載，然后交給3D打印機(jī)進(jìn)行打印，便可以實(shí)現(xiàn)虛擬模型到實(shí)物模型的轉(zhuǎn)變，如果下載打印模型的為制造商，那就可以利用3D打印機(jī)進(jìn)行小批量生產(chǎn)和銷售，或者使用打印出來的實(shí)物模型進(jìn)行開模后并批量生產(chǎn)，就會出現(xiàn)所銷售產(chǎn)品的版權(quán)等問題。

綜觀上述，3D打印時(shí)代的到來，既要看到3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也要看到它的不足，在理性分析3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，讓3D打印技術(shù)更好地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)服務(wù)。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，目前的3D打印技術(shù)的不足將會有所完善，三維打印技術(shù)打印出來的對象也將從外部的形狀發(fā)展到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最后發(fā)展為可以打印對象的高級功能和行為等方面，不再停留在打印對象外在造型的復(fù)制，而是進(jìn)一步滿足其在外觀、功能、情感等使用上的結(jié)合。未來3D打印技術(shù)也將通過網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)客戶與廠商的對接。如云平臺，3D打印云平臺的工作流程迎合時(shí)下點(diǎn)擊消費(fèi)速度與私人定制潮流，使消費(fèi)者根據(jù)自己的審美需求通過3D打印云平臺，實(shí)現(xiàn)定制化、個(gè)性化服務(wù)，輕松地讓自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。創(chuàng)客者或者企業(yè)只需要有一臺3D打印機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫平臺進(jìn)行具體項(xiàng)目需求對接，完成線上客戶需求和線下客戶資源的進(jìn)一步交流以及后期的制造需求，全球的需求供應(yīng)鏈將被以零庫存的小制造商或個(gè)人所取代。企業(yè)也可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺來尋求小的供應(yīng)鏈來達(dá)到縮短研發(fā)成本以及迅速檢測所研發(fā)產(chǎn)品是否合理等問題。

4結(jié)論

3D打印技術(shù)使產(chǎn)品的制作簡單化、直觀化、個(gè)性化，能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，拓展設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新突破。因此，3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，突破了產(chǎn)品設(shè)計(jì)受制于大規(guī)模生產(chǎn)基礎(chǔ)下的規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約；改變了生產(chǎn)制造集中在廠商，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)集中在設(shè)計(jì)公司這一格局；推動(dòng)了設(shè)計(jì)模式向大眾設(shè)計(jì)、大眾制造的轉(zhuǎn)變。