計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)初探

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)涌現(xiàn)出了許多新型專業(yè)工具，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)就是其中的一種。這一工具產(chǎn)生至今，被各大高校以及各行各業(yè)廣泛使用，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)向更精細(xì)化的方向發(fā)展。伴隨著計(jì)算機(jī)輔助工藝的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，3D打印技術(shù)出現(xiàn)，給工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇。它突破了以往工業(yè)設(shè)計(jì)中誤差高、資源浪費(fèi)的局限性，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。但我國(guó)的3D打印技術(shù)起步較晚，在實(shí)踐過(guò)程中還存在一系列的問(wèn)題，需要引起人們的重視，不斷推進(jìn)技術(shù)改進(jìn)，使其適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求。本文主要對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)進(jìn)行分析，促進(jìn)它們之間更好地結(jié)合。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì);概念;結(jié)合

我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)從產(chǎn)生至今已經(jīng)有100多年的歷史，從單個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到后來(lái)對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)周期進(jìn)行設(shè)計(jì)，這一發(fā)展過(guò)程見(jiàn)證了各種各樣設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)。我國(guó)在改革開(kāi)放以后，工業(yè)生產(chǎn)才有了進(jìn)一步的發(fā)展，各種技術(shù)才相對(duì)成熟起來(lái)，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，參與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造等各個(gè)環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)越來(lái)越蓬勃，3D打印技術(shù)也隨之產(chǎn)生并在2010年趨于成熟，逐漸運(yùn)用到工業(yè)設(shè)計(jì)中，取得了較好的成就，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期。從此我國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的結(jié)合進(jìn)行研究，旨在制定更為高效的設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)不斷發(fā)展。

1 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)概念

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)又叫CAID，它是在CAD的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，主要針對(duì)的是創(chuàng)造性的工業(yè)設(shè)計(jì)，旨在提高方案的可靠性和科學(xué)性。CAID系統(tǒng)主要與互聯(lián)網(wǎng)、硬件、軟件、存儲(chǔ)、通信等技術(shù)相結(jié)合，融合計(jì)算機(jī)與工業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在設(shè)計(jì)方法、質(zhì)量、效率上都有了很大的提高。[1]計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)也是一門(mén)學(xué)科，被各大專科學(xué)校以及高等院校列入專業(yè)教學(xué)，成為一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科。在學(xué)科安排中，需要學(xué)生掌握基本的CAD技術(shù)、多媒體技術(shù)、模糊技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。[2]

CAID系統(tǒng)的主要內(nèi)容有數(shù)字化裝配、數(shù)字化建模、數(shù)字化制造等。其中數(shù)字化建模是指設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之前先安排一些圖形模塊便于后續(xù)建模，在建模過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以改變圖形的尺寸，任意一個(gè)圖形尺寸的改變都會(huì)影響其他圖形甚至產(chǎn)生新的圖形，這樣能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力;數(shù)字化信息交換是指利用信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享;信息化裝配是指設(shè)計(jì)者在建模后利用該系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)裝配，從而可以直觀地看到自己的建模效果，反饋相關(guān)指標(biāo)信息，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并修改;數(shù)字化制造是指該系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別模型，安排加工數(shù)據(jù)、特征、軌跡等，并且能夠很好地預(yù)測(cè)、分析一些制造工差。[3]

利用計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，需要對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。例如草圖、效果圖、模型圖等，在進(jìn)行效果圖設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)運(yùn)用一些構(gòu)圖軟件，如平面類(lèi)的Photoshop、Coreldraw，三維類(lèi)的3Dmax、Rhinoceros等。只有在構(gòu)建好效果圖之后，才能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的模型規(guī)劃，如數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建需要使用CATIA、Pro/Engineer等軟件，相比傳統(tǒng)的手繪過(guò)程有很大優(yōu)勢(shì)，既節(jié)省了時(shí)間，又能使設(shè)計(jì)出來(lái)的模型更為直觀、精準(zhǔn)。[4]我國(guó)當(dāng)前在計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)上有了很大進(jìn)步，尤其是在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展之后，這些軟件更是向智能化的方向不斷發(fā)展。設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念和構(gòu)想能夠利用這些軟件較好地呈現(xiàn)出來(lái)。此外，這些軟件的學(xué)習(xí)使用也較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)師不用花很長(zhǎng)時(shí)間去學(xué)習(xí)軟件操作技術(shù)，能夠節(jié)省大量精力投入到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。

2 3D打印技術(shù)概念

3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)它主要利用普通打印機(jī)的原理，在打印機(jī)中加入粉末、塑料等材料，輔以計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用逐層打印方法將材料層層疊加起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)3D打印。這一技術(shù)出現(xiàn)后，很多國(guó)家紛紛對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研制，將其應(yīng)用到航天、建筑、醫(yī)學(xué)、生物、教育等領(lǐng)域中，利用3D打印制造模型或者零部件并取得了一些成就。

在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少了開(kāi)發(fā)成本。在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)中，我們可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙上經(jīng)常會(huì)看見(jiàn)一個(gè)手鈑模型，這一模型主要是用來(lái)檢測(cè)設(shè)計(jì)是否合理可行，但是這個(gè)模型的設(shè)計(jì)也需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)。而3D打印技術(shù)能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它只需一臺(tái)3D打印機(jī)與打印材料就能夠很快打印出設(shè)計(jì)好的模型，而且如今3D打印技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛， 3D打印機(jī)的價(jià)格越來(lái)越低，這給企業(yè)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面提供了較大的便利。

3 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)的結(jié)合與提升

3.1 結(jié)合設(shè)計(jì)方法

在3D打印技術(shù)未出現(xiàn)之前，我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)都是依靠手工，這需要設(shè)計(jì)師花費(fèi)大量的時(shí)間和精力且對(duì)設(shè)計(jì)師的專業(yè)要求極高。此外，這方面的技術(shù)人才較少，企業(yè)需要花重金聘請(qǐng)這些設(shè)計(jì)師，一旦設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題還需要花費(fèi)大量時(shí)間修改，在一定程度上延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)的周期，增加了企業(yè)的成本。3D打印技術(shù)出現(xiàn)以后，給工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)了重大的轉(zhuǎn)機(jī)，只需要通過(guò)程序的輸入編寫(xiě)，將命令傳達(dá)到打印機(jī)中，安置好相應(yīng)的材料，就能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。例如日本的動(dòng)漫玩具是3D打印技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合形成的產(chǎn)物，設(shè)計(jì)者的任務(wù)主要是對(duì)動(dòng)漫人物進(jìn)行建模，再利用3Dmax、PS等軟件，設(shè)計(jì)數(shù)字模型，最后再將這些數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)，擴(kuò)大產(chǎn)量，極大地縮短了動(dòng)漫手辦的生產(chǎn)時(shí)間，提高了出口產(chǎn)品的輸出量，推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)有較好的應(yīng)用反饋，目前已在很多行業(yè)廣泛推進(jìn)使用，提高了國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力，有效地推動(dòng)了國(guó)家發(fā)展進(jìn)步。

3.2 提升空間

理論上，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)可以和3D打印技術(shù)結(jié)合在一起使用，但是在實(shí)際操作過(guò)程中存在很多問(wèn)題，有較大的提升空間。第一，3D打印技術(shù)針對(duì)的是一些特殊領(lǐng)域，其打印所用的材料較為特殊，而計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)材料的性能和適用性都有一定的要求。3D打印技術(shù)的材料在現(xiàn)階段還不能滿足這些要求，使得計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展受到限制。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)提高3D打印技術(shù)使用材料的性能，不斷提高其適用性。第二，相比3D打印技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史較長(zhǎng)，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還保留著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，這給3D打印技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了阻礙?；?D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)思路較為領(lǐng)先，與傳統(tǒng)的有很大不同。但是，行業(yè)內(nèi)的從業(yè)者不能及時(shí)調(diào)整自己的工作思路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)3D技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的完整結(jié)合。第三，我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，起步較晚，在行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有建立起較為完善的培養(yǎng)體系。很多從業(yè)者缺乏對(duì)3D打印技術(shù)的了解，理論知識(shí)匱乏。企業(yè)也沒(méi)有幫助他們定期組織培訓(xùn)學(xué)習(xí)活動(dòng)，使得他們?cè)趹?yīng)用3D打印技術(shù)時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，一定程度上制約了行業(yè)的發(fā)展，不能緊跟時(shí)代的步伐。第四，3D打印技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合需要一定的軟件支持，但是我國(guó)當(dāng)前對(duì)這方面軟件的開(kāi)發(fā)不如發(fā)達(dá)國(guó)家，使得這兩者相結(jié)合的過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，給企業(yè)的生產(chǎn)效率帶來(lái)影響，不能充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的良好優(yōu)勢(shì)，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，它能夠幫助企業(yè)降低在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中的成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展。這兩者的結(jié)合給各行各業(yè)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了機(jī)遇，需要企業(yè)引起重視，加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)材料的研制，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在企業(yè)中建立完善的培養(yǎng)體系，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，不斷給兩者的結(jié)合提供技術(shù)、思想、體系支撐，促進(jìn)兩者向更加完備的方向結(jié)合，不斷推進(jìn)我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：任文蕾（1999—），女，山東濰坊人，山東科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院2017級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。