淺談工業(yè)設(shè)計(jì)中的3D打印技術(shù)

王致力

摘要：21世紀(jì)以來，人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平空前，帶來人類社會(huì)生產(chǎn)生活方方面面的改革與提升，3D打印技術(shù)就是其中一種非常重要的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的技術(shù)，3D打印技術(shù)具有成本低廉、效率高、簡(jiǎn)單實(shí)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文中，筆者以當(dāng)前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀為研究對(duì)象，就其應(yīng)用特點(diǎn)、未來發(fā)展趨勢(shì)等展開研究。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；工業(yè)設(shè)計(jì)；機(jī)遇與挑戰(zhàn)

3D打印（3DP）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粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 原理

3D打印技術(shù)最初被稱為快速成型技術(shù)或快速原型制造技術(shù)，它基于現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和新材料技術(shù)，開發(fā)出先進(jìn)的制造技術(shù)。它基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字模型，通過軟件分解為多層平面切片。然后由CNC成型系統(tǒng)使用激光束、熱熔噴嘴等逐層層疊和粘合可粘合材料，最后疊加并制作產(chǎn)品。

1.2 3D打印技術(shù)類別

就當(dāng)前市場(chǎng)的3D打印技術(shù)來看，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。

1.3 3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(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物的排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

2 3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1概念模型、功能原型的制作

在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中，有必要反復(fù)生產(chǎn)不同功能和類型的零件和模型。傳統(tǒng)方法具有長(zhǎng)的周期、工作量大、可控性不高、成本高昂等很多缺點(diǎn)，但是使用3D打印技術(shù)可以快速且精準(zhǔn)的地制取想要的零件和模型。

2.2 工業(yè)設(shè)計(jì)中工具的制作

工業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常有意思創(chuàng)造性活動(dòng)，不同的設(shè)計(jì)師會(huì)使用各不相同的工具和設(shè)備來完成他們想要的產(chǎn)品。大多數(shù)這些工具都是由設(shè)計(jì)師根據(jù)他們的需求制作的。此時(shí)，它可以通過3D打印機(jī)完成，而不是花費(fèi)大量時(shí)間和精力在各種處理方法上。3D打印設(shè)備不僅可以縮短時(shí)間和成本，而且可以構(gòu)造出結(jié)構(gòu)更精確、重量更輕、更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

2.3 小批量產(chǎn)品生產(chǎn)

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其打印成本和打印時(shí)間進(jìn)一步縮短，可印刷的材料和方法不斷豐富，與傳統(tǒng)的加工和制造工藝相比，生產(chǎn)工藝時(shí)間短。在小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)上，它具有成本低等優(yōu)點(diǎn)，不受時(shí)間、空間、機(jī)床和模具的限制，必要時(shí)可隨時(shí)暫停生產(chǎn)、修改設(shè)計(jì)、消除傳統(tǒng)制造技術(shù)、成本、施工周期等限制，不僅產(chǎn)品生產(chǎn)迅速，而且靈活。

3 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）3D打印技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)人才缺乏的影響3D打印技術(shù)可以有這么好的發(fā)展環(huán)境，當(dāng)然，與人才的扶持是分不開的。在3D打印時(shí)代的背景下，工業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都需要越來越多的專業(yè)技術(shù)人員。3D打印技術(shù)對(duì)目前工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造模式起了轉(zhuǎn)變作用，這與具有較強(qiáng)技術(shù)和管理技能的高素質(zhì)應(yīng)用人才密不可分。因此，作為培養(yǎng)人才的第一要地，高校應(yīng)為社會(huì)培養(yǎng)更多高素質(zhì)、高技能的復(fù)合型人才。推動(dòng)校企聯(lián)合培訓(xùn)模式，學(xué)校提供人才，企業(yè)提供設(shè)備和資金，使學(xué)生可以更好的適應(yīng)社會(huì)，掌握更強(qiáng)、更專業(yè)的技術(shù)。

（3）3D打印技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)流程和創(chuàng)新意識(shí)的影響3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與社會(huì)制造的進(jìn)步，自主設(shè)計(jì)師和自主品牌也將逐漸崛起。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定安全高效的設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步開發(fā)取得成功的重要保障。3D模型的設(shè)計(jì)便是其中眾多設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)之一，傳統(tǒng)采用的手工制作的模型，不論是質(zhì)量、質(zhì)感、觸感都是不能和3D打印所比擬。而且傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)模式在一定程度上都是受到“減配”，但是在日漸成熟的3D打印技術(shù)的影響下，自主設(shè)計(jì)師和逐漸興起的自主品牌都開始擺脫了對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)的依賴。那些創(chuàng)新意識(shí)高、思維靈敏、敢于挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)師和品牌設(shè)計(jì)便逐漸崛起。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，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。

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（作者單位：沈陽(yáng)蓋恩科技有限公司）