工業(yè)設(shè)計(jì)下3D打印與傳統(tǒng)模具的互補(bǔ)生存研究

張昊

摘 要：當(dāng)今時(shí)代的兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)是世界經(jīng)濟(jì)一體化和以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)的快速發(fā)展。如今產(chǎn)品的流程是“設(shè)計(jì)-制造-銷售-回收”，生活中處處離不開設(shè)計(jì)。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們?cè)谧⒅禺a(chǎn)品功能的同時(shí)更加注重產(chǎn)品的外觀造型，由此，更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。為了讓傳統(tǒng)制造業(yè)更好地順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，避免造成“新興”的3D打印技術(shù)收效甚微和傳統(tǒng)模具制造力不從心的尷尬局面，文章論述了3D打印技術(shù)方興未艾的原因，重點(diǎn)分析了3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)模具制造的優(yōu)勢(shì)和不足，力求讓二者能夠互相依靠、共同發(fā)展，同時(shí)激發(fā)工業(yè)設(shè)計(jì)師的無限創(chuàng)造潛力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；3D打印技術(shù)；傳統(tǒng)模具制造；互補(bǔ)生存；創(chuàng)新

0 引言

傳統(tǒng)模具制造在過去的幾十年里，為加工制造業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)，所以又被稱為“工業(yè)之母”。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，模具的局限性越來越被放大。傳統(tǒng)制造領(lǐng)域正由減材制造逐漸轉(zhuǎn)向增材制造，這也是技術(shù)進(jìn)步的必然。增材制造就是我們所說的3D打印技術(shù)，在驚嘆該技術(shù)的先進(jìn)之余，其背后則是對(duì)人類所有創(chuàng)新技術(shù)的集成。特別是在強(qiáng)調(diào)以創(chuàng)新為核心競爭力的今天，創(chuàng)新力不足正是遏制我國工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的重要原因之一。本文闡述了在3D打印具有極大的優(yōu)勢(shì)又不夠成熟之際，如何滿足人們對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，如何同傳統(tǒng)的模具制造工藝進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展。

1 3D打印技術(shù)分析

愛因斯坦說過：“想象力遠(yuǎn)比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界上的一切并推動(dòng)著進(jìn)步。想象才是知識(shí)進(jìn)化的源泉?！笨萍紕?chuàng)新帶來了工業(yè)革命，技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)了工業(yè)發(fā)展；發(fā)達(dá)國家憑借技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)成了工業(yè)革命的主力軍，并在前兩次工業(yè)革命中獲取了巨大的經(jīng)濟(jì)利益和世界話語權(quán)。

2013年7月21日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平考察東湖高新區(qū)。在光谷展示中心，習(xí)近平詳細(xì)觀看了光纖通訊、3D打印、生物質(zhì)能源等創(chuàng)新成果展示；史玉升當(dāng)天就3D打印技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用向習(xí)近平總書記作了報(bào)告，事后他還不忘告訴員工：“總書記囑咐我們，這個(gè)技術(shù)很重要，要抓緊產(chǎn)業(yè)化?！?/p>

2012年3月，為重振美國經(jīng)濟(jì)和美國制造，奧巴馬總統(tǒng)提出了建設(shè)全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，并將3D打印確定為計(jì)劃的方向之一。2012年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》（The Economist）刊登了一篇名為《第三次工業(yè)革命》的封面文章，認(rèn)為3D打印將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命，并稱這是“制造業(yè)未來的趨勢(shì)”。

3D打印技術(shù)，它顛覆了傳統(tǒng)的模具制造加工工藝（減材制造技術(shù)），學(xué)術(shù)界將3D打印定義為增材制造技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種；它是一種以數(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材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

1.1 3D打印的優(yōu)勢(shì)

第一，制造復(fù)雜物品不增加成本（結(jié)構(gòu)復(fù)雜幾乎不影響成本）；第二，產(chǎn)品多樣化不增加成本（創(chuàng)新力的提升，無需開模）；第三，無需組裝（一體化打?。坏谒?，即時(shí)交付（個(gè)性化生產(chǎn)，減少庫存）；第五，突破空間限制（增材制造）；第六，零技能制造（只需掌握3D打印機(jī)使用方法）；第七，便攜制造（設(shè)備集成化較高，對(duì)生產(chǎn)地點(diǎn)和空間要求較低，節(jié)約土地資源）；第八，更加環(huán)保（基本沒有工業(yè)垃圾）；第九，材料無限組合（將材料堆積黏合）；第十，精確的實(shí)體復(fù)制（數(shù)字文件保存到現(xiàn)實(shí)世界）；第十一，強(qiáng)大的連接功能（無需再次焊接）。3D打印技術(shù)采用加法式的整體制造方案，與傳統(tǒng)經(jīng)典技術(shù)相比，3D打印在產(chǎn)品功能、生產(chǎn)效率、制造成本等方面的優(yōu)勢(shì)十分顯著，值得進(jìn)行大力的產(chǎn)業(yè)化推廣，以促使新一輪產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)生。此外，3D打印技術(shù)勢(shì)必會(huì)對(duì)傳統(tǒng)制造工藝形成沖擊。

1.2 3D打印的局限性

從目前3D打印技術(shù)的發(fā)展情況來看，其在打印速度、產(chǎn)品材料性能、打印材料的成本、操作的可訪問性和安全性、成型精度、產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)研發(fā)、政策規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)基地以及人才支撐等方面還存在一系列問題，這些問題制約了3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。具體表現(xiàn)：第一，加工速度慢；第二，耗材受限；第三，打印對(duì)象受限制；第四，單個(gè)成本高；第五，精度較差；第六，產(chǎn)品質(zhì)量較差；第七，缺乏宏觀的政策支持；第八，技術(shù)研發(fā)投入不足；第九，產(chǎn)業(yè)配套體系不全；第十，產(chǎn)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)不足。由此說明3D打印技術(shù)無論是從技術(shù)層面還是政策支持層面都尚未發(fā)育成熟，這也是3D打印技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)無法取代傳統(tǒng)制造工藝的根本原因。

2 傳統(tǒng)模具的局限性

在3D打印技術(shù)誕生之前，世界各地加工制造業(yè)都是以模具為生產(chǎn)主力。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在模具耐磨損而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，大部分模具都采用鋼制，有些甚至采集硬質(zhì)合金制造，以傳統(tǒng)注塑和沖壓產(chǎn)品為主。制造時(shí)用建模軟件，如PRO-E將模具圖繪制出來，經(jīng)過不斷調(diào)整達(dá)到最終達(dá)成效果，并根據(jù)用戶實(shí)際需求確認(rèn)強(qiáng)度，不但精度較高，而且生產(chǎn)時(shí)間較為快速。但是，它的局限性也不容樂觀，最突出的問題就是模具開發(fā)技術(shù)高、難度大。此外，根據(jù)加工產(chǎn)品的外觀，模具開發(fā)難度也不同，越復(fù)雜的產(chǎn)品，開發(fā)費(fèi)用越高，開模時(shí)間越長，加工成本也會(huì)有所增加；如果待加工的產(chǎn)品過于復(fù)雜，模具加工恐怕就難以實(shí)現(xiàn)，這在一定程度上制約了創(chuàng)新的生長。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，我們使用的物品勢(shì)必會(huì)越來越便捷，在這便捷的背后是處理集成更加復(fù)雜的模塊，模具顯然不符合時(shí)代發(fā)展的要求。加上市場風(fēng)險(xiǎn)的影響，模具加工要進(jìn)行數(shù)以萬計(jì)的產(chǎn)品制造，才會(huì)降低產(chǎn)品的成本，因此，企業(yè)就要承擔(dān)高額的損失風(fēng)險(xiǎn)。

3 3D打印與傳統(tǒng)模具的未來

將市場風(fēng)險(xiǎn)降到最低，是我們一直以來努力的方向。新技術(shù)的發(fā)展總是要在實(shí)踐中摸索前進(jìn)，在這樣一個(gè)革新的時(shí)代，未來的制造業(yè)會(huì)是以傳統(tǒng)模具和3D打印協(xié)同發(fā)展，兩種技術(shù)通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互相融合的局面。對(duì)中小型企業(yè)而言，摸清市場規(guī)律，了解消費(fèi)者個(gè)人需求，是其發(fā)展企業(yè)規(guī)模的關(guān)鍵因素。受到企業(yè)規(guī)模的限制，中小型企業(yè)在初期不可能通過擴(kuò)大產(chǎn)品數(shù)量來降低生產(chǎn)成本，因此其面臨著成本過高的生存問題。因?yàn)?D打印技術(shù)不但可以自由加工任意曲面的產(chǎn)品，還可以縮短企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)周期，他們可以在通過3D打印技術(shù)，根據(jù)消費(fèi)者喜好自行打印產(chǎn)品，觀察市場動(dòng)態(tài)，后期則可選擇是否通過大批量生產(chǎn)以達(dá)到發(fā)展公司規(guī)模的目的。模具開發(fā)技術(shù)高、難度大的問題也可以通過3D打印技術(shù)解決，這樣既解決了3D打印目前不適合大批量生產(chǎn)的情況，又降低了市場風(fēng)險(xiǎn)，兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互合作是符合時(shí)代發(fā)展的要求的。

4 結(jié)語

任何一項(xiàng)創(chuàng)新都是想象力的結(jié)晶，科學(xué)發(fā)現(xiàn)如此，技術(shù)發(fā)明如此，更重要的商業(yè)化應(yīng)用亦如此。3D打印的出現(xiàn)很大程度上打開了我國創(chuàng)新的大門，工業(yè)設(shè)計(jì)的局限性得以突破。一個(gè)國家的工業(yè)設(shè)計(jì)水平代表的是這個(gè)國家工業(yè)的先進(jìn)程度，因此，通過3D打印激發(fā)想象力，通過3D打印與模具制造的協(xié)同發(fā)展完善彼此，沒有誰取代誰，只有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、融合，才能推動(dòng)時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)的進(jìn)步。

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