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

付航?李鵬

摘 要：3D打印技術(shù)正處于不斷發(fā)展的階段，主要的工藝和材料不斷更新，3D打印技術(shù)在滿足個(gè)性化產(chǎn)品需求和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造方面的作用和優(yōu)勢(shì)，以在玩具、家居制品等領(lǐng)域中最為突顯。3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用前景廣闊，其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，為其在該領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用拓展啟發(fā)思路。

關(guān)鍵詞：3D打??；材料；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

一、前言

3D打印技術(shù)具有傳統(tǒng)制造工藝所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如產(chǎn)品多樣化的同時(shí)不增加成本、無(wú)需組裝、零時(shí)間交付、零技能制造等，且已經(jīng)在航空航天、汽車(chē)制造以及工業(yè)裝備制造等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，因?yàn)榻窈髠€(gè)性化和定制化的產(chǎn)品會(huì)逐漸成為市場(chǎng)主流，而3D打印技術(shù)可以按照消費(fèi)者的個(gè)體想法生產(chǎn)物品和創(chuàng)意作品，使產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成為可能。本文著意介紹了3D打印技術(shù)與材料的基本知識(shí)，并概述其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，為其在該領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用拓展啟發(fā)思路。

二、3D打印技術(shù)概述

（一）工藝

目前，3D打印技術(shù)所使用的較成熟的工藝主要有熔融沉積成型（FDM）、激光近凈形成型（LENS）、熱熔膠粘接薄材（LOM）、光固化成型（SLA）、粉末激光燒結(jié)成型（SLS）和噴涂粘接成型（3DP）。

1.FDM：是斯科特·克倫普于20世紀(jì)80年代發(fā)明的。FDM打印機(jī)沉積材料的打印頭通常沿著一系列的水平、垂直軌道移動(dòng)。沉積第一層時(shí)，打印頭先勾勒出要打印物體的輪廓，然后打印頭來(lái)回掃描以填充輪廓。第一層打印完成后，打印頭會(huì)略微抬起，然后回落并開(kāi)始第二層打印。3D打印機(jī)持續(xù)重復(fù)該過(guò)程，打印出設(shè)計(jì)文件所描繪物體的每個(gè)橫截面。

2.LENS：將材料粉末吹入精心引導(dǎo)的高功率激光束。錯(cuò)過(guò)光束的粉末會(huì)落在一邊，遇到激光焦點(diǎn)的粉末會(huì)立即融化并融合到增長(zhǎng)部分的表面。因此，當(dāng)激光的焦點(diǎn)掃描過(guò)打印對(duì)象的輪廓，打印頭吹出更多的粉末時(shí)，部件就會(huì)一層一層地逐漸增長(zhǎng)。

3.LOM：將材料薄片層壓成一個(gè)單獨(dú)的三維實(shí)體。在設(shè)計(jì)文件的指引下，刀具或激光束將實(shí)體外形的輪廓從紙、塑料或金屬的材料薄片中切出，切完一張薄片后，鋪入一張新的黏合薄片開(kāi)始下一層的切割。打印機(jī)將切好的紙、塑料或金屬薄片堆疊在一起，當(dāng)制作對(duì)象的所有橫截面都切好后，將這些切片層按壓融合為一個(gè)三維實(shí)體。

4.SLA：通過(guò)激光掃描光敏聚合物來(lái)形成三維實(shí)體。它的工作原理是激光掃描光敏聚合物以后，打印機(jī)臺(tái)面下沉，將已經(jīng)打印的部分沉入液體中，新的光敏聚合物覆蓋其頂部，如此往復(fù)，有些SLA打印機(jī)以相反的方式工作。

5.SLS：由德克薩斯大學(xué)研究員卡爾·德卡德和約瑟夫·比曼于20世紀(jì)80年代發(fā)明。它不使用液態(tài)光敏聚合物，而是使用粉末，采用二氧化碳激光器將粉末狀材料選擇性燒結(jié)成固體件的方法成型，打印過(guò)程完成后物體被最終埋在粉末下。

6.3DP：3DP是在20世紀(jì)80年代由麻省理工學(xué)院的學(xué)生保羅·威廉姆斯和他的導(dǎo)師伊萊·薩克斯教授發(fā)明的。它是通過(guò)打印頭將黏合劑或某種膠擠到原材料粉末中打印實(shí)體的。由于3DP打印機(jī)通過(guò)在原材料內(nèi)擠入膠水生成層，所以并不需要激光，而且有很多原材料可以使用。3DP打印機(jī)不需要高功率的組件，因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光，從而很難制造出很薄的層，制造出的物體往往表面粗糙，但可以彩色打印。

（二）材料

根據(jù)不同的3D打印的制造工藝，對(duì)應(yīng)著不同的3D打印材料（表1）。

此外還有應(yīng)用于打印消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車(chē)輪胎、墊片、內(nèi)飾等的橡膠材料、陶瓷材料，以及應(yīng)用于珠寶和藝術(shù)品的玻璃材料。

三、3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）玩具

3D打印技術(shù)的流行和普及將定制化的理念融入到玩具的設(shè)計(jì)和制造中，人人都可以成為生產(chǎn)者，資源和能源的浪費(fèi)也將大幅減少。一家名為Dream Factory的公司2015年發(fā)布了一個(gè)專門(mén)為4-10歲之間兒童設(shè)計(jì)的3D打印城市玩具“Buddyracers”（圖1）。完整的“Buddyracers”系列是由Dream Factory的3D構(gòu)建師Fabian Magri和John Revilla設(shè)計(jì)的，整套城市玩具包括建筑物、樹(shù)木、街道設(shè)施、人物、車(chē)輛等70件3D打印模型。Dream Factory公司表示，除了這70件3D打印模型以外，孩子們還可以通過(guò)定制和創(chuàng)建新的3D模型來(lái)擴(kuò)展自己的玩具數(shù)量。Dream Factory的首席3D構(gòu)建師Yanizo稱：3D打印每輛車(chē)需要1個(gè)半小時(shí)，每個(gè)角色需要20分鐘，這些模型在設(shè)計(jì)初期都經(jīng)過(guò)精雕細(xì)琢，以減少打印時(shí)間，并且不需要支撐結(jié)構(gòu)。

（二）家居制品

3D打印技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)的造型理論，可以制作許多傳統(tǒng)制造工藝很難制作或無(wú)法制作的家具。在巴黎制匯節(jié)上，Drawn公司用他們自己設(shè)計(jì)的加拉太亞3D打印機(jī)制造了巴比倫椅（The Babylon Chair）（圖2）。

從外觀來(lái)看，其表層質(zhì)量非常均勻，而且每層都十分流暢和一致。逐層堆積形成的一圈圈紋路使家具的造型更加獨(dú)特和美觀，給我們帶來(lái)視覺(jué)上強(qiáng)烈的沖擊力。

意大利3D打印機(jī)制造公司Sharebot與意大利家具公司Nespoli結(jié)成合作伙伴，共同開(kāi)發(fā)3D打印家具——細(xì)木工板護(hù)壁板（Boiserie）的解決方案。Nespoli和合作伙伴對(duì)裝飾元素進(jìn)行三維掃描，制作成可以任意縮放尺寸的三維模型，然后使用Sharebot XXL 3D打印機(jī)完成細(xì)木工板護(hù)壁板的制造。三維打印機(jī)使用FFF（熔融纖維制造）技術(shù)，可以打印出700mm×250mm×200mm的高精度實(shí)物（圖3）。這個(gè)項(xiàng)目，使數(shù)字化制造和現(xiàn)代化產(chǎn)品完美結(jié)合，讓3D打印制作細(xì)木工板護(hù)壁板這樣的裝飾性元素成為可能，讓那些已有百年歷史的傳統(tǒng)技術(shù)更完善。

（三）文化娛樂(lè)

1.藝術(shù)品擺件

3D打印技術(shù)的成熟使得一些原本難以用手工完成的工作變得容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也激發(fā)了藝術(shù)家的創(chuàng)作靈感，比如一個(gè)3D打印的個(gè)性化花瓶（圖4）。它是用石膏粉摻入粘結(jié)劑，注入到打印噴頭中，逐層打印出來(lái)的，產(chǎn)品成型后使用密封膠以確保耐用性和更多生動(dòng)的顏色，3D打印使這種具有奇特造型的設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。

2.樂(lè)器

美國(guó)密歇根大學(xué)的工程系學(xué)生Daniel Olson使用一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)（（MendelMax 2.0 3D打印機(jī)）完整地打印出了一把三閥小號(hào)（圖5），它是由17個(gè)獨(dú)立的零部件（使用的是ABS材料）組成的，最后組裝到一起，形成了外觀和感覺(jué)與普通的小號(hào)一樣的作品。它雖然能夠演奏曲子，但音質(zhì)不好。

3.個(gè)性消費(fèi)品

由于3D打印能夠制造各種形狀相對(duì)復(fù)雜的配件，所以3D模型設(shè)計(jì)師精心設(shè)計(jì)的各種樣式的3D模型得以展現(xiàn)，其外形美觀、經(jīng)久耐用。Polychemy公司利用3D打印技術(shù)打印出了極具個(gè)性的手機(jī)殼（圖6）。它用堅(jiān)固有彈性的聚酰胺塑料，利用3D打印機(jī)打印出模板，之后經(jīng)過(guò)雕刻而制成。Polychemy公司還推出了指紋、漩渦、迷宮等圖案的手機(jī)殼，另外還可以把自己的名字融入到設(shè)計(jì)中。這些3D打印的手機(jī)殼給人留下深刻的印象，不僅實(shí)用，且外形美觀，充滿時(shí)尚氣息。

4.定制鞋

傳統(tǒng)制鞋工藝中，設(shè)計(jì)，做模型，再做鞋子，重復(fù)上千次才能制作出與設(shè)計(jì)師構(gòu)思完全相符的鞋子。2013年，Earl Stewart在惠靈頓維多利亞大學(xué)Ross Stevens的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了“XYZ shoe”?！癤YZ shoe”有151XYZ和098XYZ兩種款式，展示的是151XYZ（圖7）。Earl Stewart利用精確的3D掃描技術(shù)制作個(gè)性化的3D打印鞋，每只鞋都用3D掃描儀掃描使用者的腳，以獲得準(zhǔn)確無(wú)誤的尺寸，然后將這些數(shù)據(jù)傳送到多種材料的3D打印設(shè)備中，將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成精密的物體，最終設(shè)計(jì)制造出靈活舒適的個(gè)性化鞋子。這不僅滿足了設(shè)計(jì)師的要求，也滿足了使用者的需求，充分體現(xiàn)了3D打印定制化、個(gè)性化、小批量生產(chǎn)精細(xì)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

四、3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題

3D打印有五大子產(chǎn)業(yè)，即設(shè)備商、材料商、設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商、設(shè)計(jì)師、云設(shè)備商。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)激發(fā)了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作靈感，但在設(shè)計(jì)軟件的完善、更加精確的模型輸出格式等方面依然存在著亟待解決的問(wèn)題。目前諸多的實(shí)例證明，3D打印技術(shù)可以與設(shè)計(jì)完美地結(jié)合在一起，但是如何讓其成為產(chǎn)品，形成可行的產(chǎn)業(yè)鏈成為至關(guān)重要的問(wèn)題。例如：3D打印家具受材料和工藝的限制，不具有傳統(tǒng)制造工藝的優(yōu)勢(shì)，另一方面，3D打印材料的環(huán)保性等各項(xiàng)指標(biāo)還有待專家部門(mén)的權(quán)威檢測(cè)和認(rèn)證。現(xiàn)在雖然可以用3D打印機(jī)打印較大的家具實(shí)物，不過(guò)其價(jià)格非常高。但在家具的連接結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)家具的生產(chǎn)方面，3D打印技術(shù)可以與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合，形成互補(bǔ)，從而制作出更加舒適和美觀的家具。

3D打印技術(shù)正處在不斷發(fā)展的階段，其本身又存在先天性不足：3D打印技術(shù)的相對(duì)單一制約了材料的更新，而新材料的不斷研發(fā)又會(huì)帶動(dòng)技術(shù)的更新，二者是相輔相成的，而3D打印技術(shù)的打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、打印尺寸有限制及大批量生產(chǎn)無(wú)成本優(yōu)勢(shì)等方面使3D打印仍不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造工藝。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我們需要更精確，更快的打印技術(shù)以及更豐富的打印材料。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的例子我們可以看出，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以滿足個(gè)性化產(chǎn)品需求和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造，這激發(fā)了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作靈感，將設(shè)計(jì)師與普通人緊密地連接在一起，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)新的生命力，其發(fā)展前景十分廣闊。同時(shí)，3D打印技術(shù)也存在一些設(shè)計(jì)、技術(shù)和推廣上的問(wèn)題，今后，隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟與發(fā)展，必將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

付航，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生。研究方向：家具設(shè)計(jì)。

李鵬，博士，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。