基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計預(yù)驗證研究

王嫻雅 蔡倩

摘要：以尋求一種模式讓工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的預(yù)驗證工作變得簡單有效為目的。通過對產(chǎn)品設(shè)計程序與方法的深入調(diào)研，運用計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建高度吻合的產(chǎn)品三維數(shù)字模型，提出了基于3D打印技術(shù)對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計進行預(yù)驗證的創(chuàng)新研究方法。結(jié)論誦討對不同類型的3D打印技術(shù)和具體過程的分析研究，得出3D打印的優(yōu)點是材料種類豐富、定型成本低廉、預(yù)驗證流程簡單，適合于產(chǎn)品的外觀建模和功能測試。運用3D打印技術(shù)對工業(yè)產(chǎn)品進行反復調(diào)整和測試，可最大程度提高產(chǎn)品設(shè)計成功的可能性，加速產(chǎn)品上市的進程。

關(guān)鍵詞：3D打印;產(chǎn)品設(shè)計;Rhinoceros

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）01-0157-02

預(yù)驗證是對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的外觀和功效進行全面綜合分析和測試并以三維樣型形式對產(chǎn)品用戶體驗予以評估的過程，是控制產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。產(chǎn)品設(shè)計的樣型預(yù)驗證工作質(zhì)量的好壞，對產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)后能否順利進行批量生產(chǎn)乃至進入市場后能否滿足消費者需求有著重要的影響。通過3D打印技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計流程，加快產(chǎn)品研發(fā)周期，降低樣型制作時間，為設(shè)計師和用戶的創(chuàng)造性思維提供無限可能。

1 3D打印概述

3D打?。?D printing）是一種快速成型技術(shù)，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用金屬、塑料、陶瓷、光敏樹脂、紅藍蠟等可粘合材料，通過成型設(shè)備以逐層打印的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)[2]。3D打印作為數(shù)字化時代的重要產(chǎn)物，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成比較完善的技術(shù)體系，應(yīng)用范圍不斷拓展，市場規(guī)?？焖僭鲩L。近年來，3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計、食品、珠寶、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)學和生物科學、教育、娛樂藝術(shù)以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用[3]?！?015年世界知識產(chǎn)權(quán)報告》3D打印產(chǎn)業(yè)將迎來數(shù)干億市場，美國、日本、德國、法國、英國、韓國引領(lǐng)3D打印前沿技術(shù)專利申請。在中國，伴隨著當前發(fā)展智能制造、創(chuàng)建創(chuàng)新型社會的國家戰(zhàn)略實施，尤其是《中國制造2025戰(zhàn)略》中多次強調(diào)指出要培育3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并將3D打印技術(shù)列為我國未來智能制造的重點技術(shù)來大力扶持，3D打印技術(shù)在中國也將迎來新的發(fā)展機遇期[4]。

2 3D打印過程詳解

3D打印機的液晶控制面板簡單明了易操作，打印時無需連接PC，將待打印產(chǎn)品的三維數(shù)字模型用軟件劃分成幾百個或數(shù)千個水平層，然后導出成STL文件加載到Wi-Fi、USB或SD卡（取決于什么品牌和類型的3D打印機）中即插即用。3D打印機會讀取三維數(shù)字模型的每一層切片，實體產(chǎn)品就可以被一層一層地打印出來。打印區(qū)內(nèi)置LED燈，通過改變輸入電壓可以控制其亮度，以提供更佳的可視性的印刷過程。并非所有3D打印機都使用相同的技術(shù)，采用哪種打印技術(shù)取決于建構(gòu)層的不同方式。熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結(jié)術(shù)（SLS）是最常用的技術(shù)，使用這種技術(shù)的三維打印是通過熔化或軟化材料來建構(gòu)層。另一種常用的技術(shù)被稱為光固化（SLA），是用紫外光雷射或其他類似的電源一次一層固化光反應(yīng)樹脂來建構(gòu)層。

2.1 熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型（FDM）技術(shù)見圖1，是將塑料絲或金屬絲等可熔性材料從被加熱的噴嘴擠出，材料從噴嘴擠壓后立即變硬，工作臺直接由計算機輔助制造（CAM）軟件包控制，可以在水平和垂直方向移動，按照產(chǎn)品數(shù)字模型每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率打印出產(chǎn)品實體。FDM的優(yōu)點是材料成本低，且材料豐富，工藝簡潔。缺點是精度低，復雜構(gòu)件不易制造，懸臂件需加支撐，表面質(zhì)量粗糙。該工藝適合于產(chǎn)品的外觀建模和功能測試。

2.2 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，見圖2，是用高功率激光將塑料、金屬、陶瓷或玻璃粉末的小顆粒熔合成三維實體，即粉床融合。激光通過掃描粉末床表面上的三維建模程序生成的橫截面（或?qū)樱﹣磉x擇性地將粉末狀材料熔化。掃描每個截面后，粉末層降低一層厚度。然后在頂部應(yīng)用一層新的材料，并重復這個過程直到對象完成。所有未接觸的粉末都保持原樣，成為物體的支撐結(jié)構(gòu)。因此，不需要任何支持結(jié)構(gòu)，所有未使用的粉末可用于下一產(chǎn)品的打印。

2.3 光固化（SLA）

光固化快速成型（SLA）技術(shù)，見圖3，是基于紫外激光技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂建構(gòu)對象的。該技術(shù)原理是利用離散程序?qū)a(chǎn)品數(shù)字模型進行三角形網(wǎng)格化切片處理，設(shè)計跟蹤路徑，生成的數(shù)據(jù)將精確控制紫外激光器和升降臺的運動軌跡。紫外激光束掃描樹脂的表面并選擇性地固化與產(chǎn)品橫截面圖案相對應(yīng)的材料，從底部到頂部一層層疊加而打印出三維產(chǎn)品原型。為定型所需的支撐結(jié)構(gòu)是自動生成的并且漂浮在液態(tài)樹脂中，產(chǎn)品打印完成后手動刪除即可。將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經(jīng)拋光、電鍍、噴漆或著色處理即得到外觀表面質(zhì)量較高的產(chǎn)品。

3 設(shè)計預(yù)驗證

3.1 產(chǎn)品設(shè)計預(yù)驗證的重要性

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的預(yù)驗證EVT（Egineering Verification Test）是指對新產(chǎn)品樣型做的性能、外觀和安規(guī)測試。測試是檢驗產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和各項指標能否完全達到使用要求的根本方法，是正確評價產(chǎn)品的第一手資料。設(shè)計質(zhì)量是構(gòu)成產(chǎn)品質(zhì)量的核心要素，設(shè)計預(yù)驗證風險會極大地影響設(shè)計質(zhì)量，設(shè)計質(zhì)量缺陷會給企業(yè)帶來難以估量的巨大損失[5]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和消費者日趨復雜的情感需求，劃入產(chǎn)品功能范圍的因素也隨之增加[6]。以往那種單憑設(shè)計師的直覺和經(jīng)驗開展設(shè)計的方法受到了很大的挑戰(zhàn)[7]。設(shè)計師必須結(jié)合產(chǎn)品在測試過程中出現(xiàn)的外觀和功能問題，提出一些改進意見和額外的測試要求，做到對問題早發(fā)現(xiàn)、早處理，及時消除后患，為新產(chǎn)品的設(shè)計定型和批量生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。因而設(shè)計師必須進入樣型制作第一線，既可以熟悉新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程和方法，又可以掌握裝配程序，嚴格把關(guān)新產(chǎn)品樣型的預(yù)驗證測試工作。

3.2 3D打印預(yù)驗證實例

3.2.1 3D打印尼龍框架太陽鏡

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計預(yù)驗證工作需要昂貴的模具和縝密的裝配，然后經(jīng)過反復試驗與鑒定對產(chǎn)品的功能和外觀造型進行測試。而3D打印機能夠在短短幾小時內(nèi)將產(chǎn)品由數(shù)字模型轉(zhuǎn)變成三維樣型，樣型定型后即可進行功能測試。由荷蘭設(shè)計師MichielCornelissen設(shè)計的尼龍框架太陽鏡，見圖4，正在使用3D打印技術(shù)測試其外觀款式和佩戴的舒適性。運用3D打印技術(shù)對太陽鏡樣型定型，只需在軟件中創(chuàng)建相關(guān)信息，就能夠?qū)μ栫R框架的顏色、紋理或飾面進行自定義，還可以自定義添加標識、文本或者客戶名字等信息。使模型具有自定義的獨特屬性。親自體驗后發(fā)現(xiàn)設(shè)計和工程之間的問題，可以在太陽鏡原始文件基礎(chǔ)上根據(jù)業(yè)內(nèi)專家建議及時改進數(shù)字模型，以達到高效溝通和協(xié)作解決問題的目的，還消除了積壓的概念，使得產(chǎn)品樣型不用收集在倉庫惹塵埃。伴隨著人類社會向后工業(yè)時代的發(fā)展，消費者的體驗訴求成為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要發(fā)展趨勢[8]。設(shè)計師運用3D打印技術(shù)對產(chǎn)品進行預(yù)驗證，提高了用戶和產(chǎn)品之間的交互體驗品質(zhì)[9]，縮短了產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)的周期，加速了產(chǎn)品上市的進程。

3.2.2 3D打印Apple Watch充電支架

3DI是一個獨立的3D打印服務(wù)公司，有40年與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合的服務(wù)經(jīng)驗，擁有廣泛的市場，專門為發(fā)明人或者產(chǎn)品設(shè)計公司提供可靠的、機密的設(shè)計服務(wù)。被消費者鐘愛的AppleWatch簡潔大方，但是充電電纜往往會造成麻煩。以此為出發(fā)點，設(shè)計師Christopher Walker圍繞蘋果智能手表的形狀設(shè)計了系列簡約外形的充電支架，見圖5，以期望給用戶帶來視覺和功能上的緊湊感享受。3DI公司用專業(yè)的激光燒結(jié)3D打印機構(gòu)建出該創(chuàng)意支架的原型，以測試其穩(wěn)固性和設(shè)計造型是否方便觀看手表。沒有螺絲，沒有膠水，整個原型包括可移動互聯(lián)和互鎖部分都是一體印刷的。充電支架使用多色聚酞胺材料印刷，然后再手動噴繪表面。人類需要高科技，更需要高情感[10]?；?3D打印技術(shù)的設(shè)計可以有無窮無盡的外觀，取決于你想要使用的材料，可以用鋼、用透明材料甚至使用靈活的橡膠材料等等。

4 結(jié)語

3D打印使工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計預(yù)驗證簡單而有效。3D打印技術(shù)的研發(fā)每個月都有新發(fā)展。為確保新產(chǎn)品定型預(yù)驗證的質(zhì)量，需根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計方的品牌和實際業(yè)務(wù)要求，制定出最佳的3D打印方案。然后通過用戶體驗來預(yù)驗證產(chǎn)品在市場中可能存在的問題，并通過計算機輔助設(shè)計和3D打印制造技術(shù)組合給產(chǎn)品設(shè)計方提出最佳解決方案，為產(chǎn)品批量生產(chǎn)奠定堅實的基礎(chǔ)。評價一款新產(chǎn)品是否優(yōu)良，應(yīng)綜合考慮多個層面的評價標準，包括產(chǎn)品高品質(zhì)的美學價值、實用安全性、合理的材料與工藝、品牌識別性、可持續(xù)發(fā)展性等。在產(chǎn)品預(yù)驗證階段，設(shè)計師依據(jù)產(chǎn)品評價標準和用戶體驗提出合理的改進建議，從而有效地控制了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)質(zhì)量。

參考文獻

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