3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

魏冬松

摘要：工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的重要組成部分，在工業(yè)改革不斷深化背景下，越來(lái)越多先進(jìn)技術(shù)和工藝應(yīng)用其中，對(duì)于新時(shí)期的工業(yè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。3D打印技術(shù)作為一種前沿技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以改善以往工業(yè)設(shè)計(jì)模式的局限性，解放傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的束縛和影響，可以有效縮短設(shè)計(jì)成本和周期，為后續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障。本文就工業(yè)設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，把握技術(shù)要點(diǎn)，以求推動(dòng)工業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；3D打印技術(shù)；CAD技術(shù)；計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)；分層制造技術(shù)

中國(guó)分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）03-0121-02

工業(yè)設(shè)計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)合理與否將直接影響到后續(xù)的生產(chǎn)活動(dòng)有序開(kāi)展。3D打印技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用中可以滿足設(shè)計(jì)需要，改善以往生產(chǎn)技術(shù)中的局限性，提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。通過(guò)3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料和金屬材料加工，提升和加工效率和加工質(zhì)量，在滿足企業(yè)生產(chǎn)需要的同時(shí)，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)背景下，可以占據(jù)更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。加強(qiáng)對(duì)其研究，有助于推動(dòng)工業(yè)改革深化，為后續(xù)的相關(guān)工作開(kāi)展提供參考。

1 3D打印技術(shù)概述

1）原理：3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)中較為典型的一種技術(shù)，主要是迎合機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、分層制作技術(shù)和CAD技術(shù)快速發(fā)展背景下衍生而來(lái)的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)以計(jì)算機(jī)三位數(shù)字模型為基礎(chǔ)，使用配套軟件將其分為多個(gè)層次，借助熱熔噴嘴和激光束逐層堆積黏結(jié)，可以有效提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，滿足市場(chǎng)上對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化需求。

2） 3D打印技術(shù)類別：就當(dāng)前市場(chǎng)的3D打印技術(shù)來(lái)看，不同類別所使用的材料存在一定差異。包括以下幾方面：（1） SLS直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)，使用的材料包括金屬粉末、熱塑性塑料和陶瓷粉磨等；（2） FDM熔融沉積成型技術(shù)，使用的材料包括蠟、共晶系統(tǒng)金屬和熱塑性塑料；（3） EBM電子束熔化成型成型技術(shù)，使用的材料主要是鈦合金；（4） DMLS直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)，使用的材料幾乎包括所有的合金材料；（5） SHS選擇性熱燒結(jié)成型技術(shù)，使用的材料主要是熱塑性塑料；（6）PP粉末層噴膠3D打印成型技術(shù)，使用的材料主要是石膏。

3） 3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)：在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，在滿足復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，可以不額外增加成本，設(shè)計(jì)空間廣闊、零時(shí)間交付和不占用空間，不需要組裝，實(shí)際操作較為簡(jiǎn)單，可以有效減少?gòu)U棄品的排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

2 3D打印技術(shù)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)中，企業(yè)主要是結(jié)合設(shè)計(jì)要求，制定工作計(jì)劃，完成工作任務(wù)；深入市場(chǎng)調(diào)研，收集市場(chǎng)信息，了解市場(chǎng)發(fā)展需求和發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)的工業(yè)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)；確定設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方向；根據(jù)設(shè)計(jì)需要分析草圖，構(gòu)思設(shè)計(jì)草圖，繪制草圖；建立三維模型，提升渲染效果；制定合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃和工藝文件，設(shè)計(jì)工程圖紙；制作手辦模型，并對(duì)模型進(jìn)行綜合評(píng)估和分析；結(jié)合實(shí)際需要不斷改進(jìn)，動(dòng)態(tài)修改圖紙。

3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中，相較于傳統(tǒng)技術(shù)而言優(yōu)勢(shì)較為突出，但是其中仍然存在一定的局限性有待進(jìn)一步完善。3D打印技術(shù)中材料、設(shè)備、設(shè)計(jì)人員和軟件相互影響，可以打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的顯示和束縛，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新能力。但是，3D打印技術(shù)由于模型輸出格式和設(shè)計(jì)軟件還不夠完善，在一定程度上影響著3D打印技術(shù)作用的發(fā)揮。3D打印技術(shù)可以充分滿足設(shè)計(jì)需求，在產(chǎn)品上得到充分驗(yàn)證，但是如何在更多產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用，是當(dāng)前一個(gè)需要解決的問(wèn)題。3D打印技術(shù)自身存在著先天性的缺陷和不足，受到打印機(jī)和打印技術(shù)限制，可能無(wú)法大批量生產(chǎn)，所以3D打印技術(shù)尚無(wú)法全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制作技術(shù)。

3 工業(yè)設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

1）制作概念模型：在工業(yè)設(shè)計(jì)中，為了可以充分發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首先需要結(jié)合實(shí)際需要制作概念模型和功能原型。以往的工業(yè)設(shè)計(jì)中，需要反復(fù)制作不同類型的模型和零件，具有工作周期長(zhǎng)、精度差和成本高的缺點(diǎn)。而3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)零件和模型的高精度制作，有效提升工業(yè)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2）工具的制作：工業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要借助不同的工具和設(shè)備輔助作業(yè)活動(dòng)開(kāi)展，而工業(yè)設(shè)計(jì)中使用的工具絕大多數(shù)需要設(shè)計(jì)師自行制作。為了滿足這一需求，可以通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工具的高精度制作。3D打印技術(shù)工具制作可以有效縮短時(shí)間和成本，提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)出更符合社會(huì)需要的產(chǎn)品。

3）小規(guī)模生產(chǎn)：3D打印技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，可以有效縮短打印成本和時(shí)間，通過(guò)豐富的打印方式和材料，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小規(guī)模生產(chǎn)。相較于傳統(tǒng)加工工藝而言，生產(chǎn)時(shí)間少、成本低優(yōu)勢(shì)較為突出，可以有效打破時(shí)間和空間的限制，如果生產(chǎn)需要，可以隨時(shí)停止生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行二次變更和修改，生產(chǎn)更多高質(zhì)量的工業(yè)產(chǎn)品。

4 3D打印技術(shù)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的影響

1）摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的束縛：傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)中，由于受到生產(chǎn)和加工工藝影響，設(shè)計(jì)師自身的創(chuàng)造力和想象力無(wú)法得到充分發(fā)揮。而3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，即便結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品仍然可以通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)勢(shì)較為突出。在這樣的背景下，設(shè)計(jì)師可以將更多的精力投入到產(chǎn)品功能創(chuàng)新和外觀創(chuàng)新方面，促使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和造型一體化，將更多人性化理念融入其中，協(xié)調(diào)美學(xué)、機(jī)械學(xué)、人機(jī)和技術(shù)等因素之間的關(guān)系，提升設(shè)計(jì)合理性。傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)主要是為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，這就需要建立相應(yīng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，即便推行個(gè)性化設(shè)計(jì)，也僅僅是模型生成范圍縮小。諸如，鼠標(biāo)設(shè)計(jì)就是按照這一設(shè)計(jì)思路，結(jié)合使用者手掌大小和使用習(xí)慣，適應(yīng)現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格，而3D打印技術(shù)則可以結(jié)合使用者手掌形狀和使用習(xí)慣針對(duì)性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出符合使用者需求的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，促使產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)成為了可能，以人為本理念得到了充分的體現(xiàn)。

2）對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)流程和成本的影響：工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)一步優(yōu)化和完善，結(jié)合設(shè)計(jì)需求，為工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)保障。手工制作的模型無(wú)論是質(zhì)感，還是精度都與預(yù)期設(shè)計(jì)存在一定的偏差，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，可以幫助用戶更為直觀的了解概念模型，綜合評(píng)估彼此的結(jié)構(gòu)和功能差異。工業(yè)設(shè)計(jì)中如果使用手工制作方式需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，可能受到人為主觀意識(shí)影響，工作效率偏低。通過(guò)3D打印技術(shù)可以有效縮短制作周期，為設(shè)計(jì)質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)保障。

尤其是近些年來(lái)，產(chǎn)品逐漸個(gè)性化發(fā)展，模型設(shè)計(jì)和制作成本較高，需要借助專門(mén)的工藝和模具實(shí)現(xiàn)，提升模型的效果。在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以有效打破時(shí)間和空間的限制，降低設(shè)計(jì)成本，提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3） 3D打印技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的影響：3D打印技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的影響較為深遠(yuǎn)，由于傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)模式局限性較大，設(shè)計(jì)理念陳舊，工業(yè)設(shè)計(jì)需要充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)習(xí)慣。但是伴隨著3D打印技術(shù)的創(chuàng)新和完善，設(shè)計(jì)師自身的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)不斷提升，對(duì)于傳統(tǒng)加工業(yè)的依賴性隨之減小。部分設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新意識(shí)較強(qiáng)，而部分消費(fèi)者的設(shè)計(jì)能力較高，可能成為設(shè)計(jì)師。所以，伴隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)化制作產(chǎn)業(yè)隨之發(fā)展。

5 工業(yè)設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新點(diǎn)

1）思維創(chuàng)新：創(chuàng)新是促進(jìn)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，為了可以提升工業(yè)設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)該充分發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)思維創(chuàng)新，放飛想象，任何造型、任何曲線都可以是工業(yè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素內(nèi)容，有助于鍛煉設(shè)計(jì)思維，拓寬設(shè)計(jì)空間，進(jìn)入獨(dú)特的創(chuàng)意空間。

2）設(shè)計(jì)隊(duì)伍創(chuàng)新：為了可以有效提升工業(yè)設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)該加強(qiáng)工業(yè)設(shè)計(jì)隊(duì)伍的創(chuàng)新，可以摒棄傳統(tǒng)思維的束縛和影響，不斷提升和學(xué)習(xí)自我，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，形成獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域創(chuàng)新和發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。諸如，多把手的陶瓷水杯和寵物貓盔甲，相較于以往的設(shè)計(jì)更具創(chuàng)新。

3）產(chǎn)品方式創(chuàng)新：借助一臺(tái)3D打印機(jī)，在工業(yè)設(shè)計(jì)中可以充分發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)層層疊加方式創(chuàng)新三維設(shè)計(jì)，可以將復(fù)雜的模型設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)化，將各種創(chuàng)意性的理念融入其中，提升工業(yè)設(shè)計(jì)合理性。在設(shè)計(jì)到制作過(guò)程中，通過(guò)3D打印技術(shù)可以大大降低成本和工作量，優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。流程，縮短開(kāi)發(fā)周期，提升設(shè)計(jì)合理性的同時(shí)，為企業(yè)帶來(lái)更大的效益。

4）溝通方式創(chuàng)新：加強(qiáng)工業(yè)設(shè)計(jì)師和客戶溝通方式其創(chuàng)新，由于傳統(tǒng)評(píng)估方式僅僅是對(duì)設(shè)計(jì)師畫(huà)出來(lái)的3D模型圖進(jìn)行評(píng)估，這種人為評(píng)估方式局限性較大，可能出現(xiàn)一定的誤差。借助3D打印技術(shù)，可以將創(chuàng)新理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，制作概念模型，這樣設(shè)計(jì)師和客戶之間的溝通更為便捷，以往工業(yè)設(shè)計(jì)中客戶僅僅是看到效果圖，可能出現(xiàn)產(chǎn)品和效果國(guó)不相符合的問(wèn)題出現(xiàn)。借助3D打印技術(shù)進(jìn)行修改，可以有效改進(jìn)產(chǎn)品外觀，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)修改和完善，盡可能避免模具中出現(xiàn)返工問(wèn)題。

5）客戶群創(chuàng)新：面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需求，對(duì)于人性化設(shè)計(jì)需求不斷提升，通過(guò)3D打印技術(shù)可以將創(chuàng)新意識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，即便是普通消費(fèi)者惡業(yè)礦業(yè)擬制作更具個(gè)性化的產(chǎn)品，從而滿足社會(huì)個(gè)性化發(fā)展需求。

6 結(jié)論

綜上所述，工業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的過(guò)程，傳統(tǒng)工藝需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，成本較高，而3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以打破時(shí)間和空間的限制，根據(jù)生產(chǎn)需要高效加工生產(chǎn)，提升和加工效率和加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)生存和發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。