3D打印對工業(yè)設(shè)計發(fā)展的影響

徐泳發(fā)

摘 ?要：我國的工業(yè)事業(yè)正朝著自動化和智能化的新時代發(fā)展，而3D打印技術(shù)就在此發(fā)展背景下應(yīng)運而生。目前，因為3D打印技術(shù)的操作簡單、加工層面廣等優(yōu)點，常常會被用于軍事、航空航天、建筑等多個領(lǐng)域中，特別是在產(chǎn)品造型與結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作中，3D打印起著至關(guān)重要的作用，文章即以此為核心，探討3D打印對工業(yè)設(shè)計發(fā)展的影響。

關(guān)鍵詞：3D打印;工業(yè)設(shè)計;發(fā)展;影響

中圖分類號：TB47 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0073-02

Abstract： China's industrial undertakings are developing towards a new era of automation and intelligence， and 3D printing technology came into being in this development trend. At present， because of the advantages of simple operation and wide processing level， 3D printing technology is often used in many fields such as military， aerospace， architecture， etc. Especially in the design of product modeling and structure， 3D printing plays a vital role. This paper takes this as the core to discuss the influence of 3D printing on the development of industrial design.

Keywords： 3D printing; industrial design; development; influence

1 概述

當(dāng)今社會正處于一場新的工業(yè)革命中，在信息化技術(shù)和智能化技術(shù)發(fā)展日益成熟的背景下，一系列新型技術(shù)將會被應(yīng)用在工業(yè)中，這對于世界各國的經(jīng)濟、文化和發(fā)展帶來了新的契機，而3D打印就是其中一項重要的技術(shù)。由于3D打印應(yīng)用成本低、使用過程方便等優(yōu)點，其被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計工作中，為工業(yè)產(chǎn)品的外形和結(jié)構(gòu)提供更加自由的設(shè)計手段，也促進了工業(yè)設(shè)計的進一步發(fā)展，本文即針對此進行探討。

2 3D打印技術(shù)常見類別

3D打印技術(shù)常見的類別有SLS選擇性激光燒結(jié)、DMLS直接金屬激光燒結(jié)、FDM熔融沉積、SLA光固化、EEM電子束熔化成型、SHS選擇性熱燒結(jié)、PP粉末層噴膠3D打印。不同的打印技術(shù)適用于不同材料類型的打印。簡單來說，3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積、激光燒結(jié)、光固化和粉末層噴膠四種。所謂熔融沉積型就是最早的3D打印形式，其結(jié)構(gòu)一般比較簡單，使用起來較為便捷，并且各組件的能量消耗較低，所以成本較低。目前該類型的打印技術(shù)已經(jīng)開源，人們甚至可以自行組裝。該技術(shù)一般用于ABS等材料的制備。激光燒結(jié)型則是通過激光束和電子束來照射材料粉末，使得其逐層熔融后冷凝，達到燒結(jié)效果。這種技術(shù)的成型效果好，在特殊材料的成型中有著非常大的優(yōu)勢。比如說我國的殲-20戰(zhàn)斗機的部分材料用的就是這一技術(shù)。光固化型結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，通過光敏樹脂和紫外線發(fā)生器產(chǎn)生的光束來進行反應(yīng)，從而觸發(fā)聚合反應(yīng)固化成型。最后則是粉末層噴膠型，這是一種通過噴頭在粉末層上涂布膠水實現(xiàn)固化的成型技術(shù)，其較為環(huán)保，且色彩方面比較優(yōu)秀，具有商業(yè)化的趨勢[1]。

3 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 多材質(zhì)同時打印

多材質(zhì)同時成型是目前我國制造業(yè)中的一道坎，因為這道工藝所帶來的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其成本，所以即使經(jīng)過多材質(zhì)成型后能夠得到性能較為優(yōu)秀的產(chǎn)品，但是在工業(yè)上也很少去應(yīng)用。多年來，許許多多的工業(yè)人才想要去促進該工藝的應(yīng)用效率，但是效果也不盡如人意。而3D打印技術(shù)則可以實現(xiàn)這一點。通過FDM型3D打印機的多噴頭來達到對不同塑料的同時成型，不僅在流程上十分便捷，其后期處理工作也大大簡化，所得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度也較好[2]。

3.2 低成本金屬打印

金屬的3D打印技術(shù)是目前3D打印技術(shù)的一個發(fā)展瓶頸，其關(guān)鍵點在于如何實現(xiàn)該技術(shù)的民用化以及小型化，而該技術(shù)一旦突破將會對工業(yè)帶來巨大的影響，這意味著3D打印技術(shù)不再是傳統(tǒng)制造業(yè)的擴展和延伸，而是成為一種新的制造方式來進行發(fā)展。具體來說，金屬的3D打印技術(shù)主要核心在于對合金成分的配比設(shè)計以及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得在成型后的元件上不同的部位能夠有不同的性能。

3.3 生物組織結(jié)構(gòu)打印

目前在醫(yī)療領(lǐng)域中，許多研究項目都指向再生醫(yī)療，實際上再生醫(yī)療也是未來醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。因為人體器官具有非常致密和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的技術(shù)無法制造出更完善的人工器官，只能完成牙齒、髖關(guān)節(jié)等骨科替換產(chǎn)品的制造，且其價格較高，一般人難以負(fù)擔(dān)。對于一些血管和神經(jīng)較為豐富的器官則無能為力。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為再生醫(yī)療提供了新的發(fā)展思路，其不僅能夠做好生物相容材料的加工，還能夠完成一些具有特定復(fù)雜生物組織的加工。

3.4 體素打印

所謂體素，就是與像素相對的一種概念。目前的工業(yè)制造技術(shù)完全可以做到像素級或者納米級的處理器單元的制造，而在3D打印技術(shù)出現(xiàn)后，人們開始逐漸探索在三維尺度上排列打印一些具有獨立功能和獨立結(jié)構(gòu)元件的可能性。比如說，立體芯片的形狀可以不再局限于以往的形狀，而是可以制造個更加個性化的結(jié)構(gòu)，甚至在后續(xù)的發(fā)展中完全可以將立體芯片打印在產(chǎn)品的外殼上，從而減少了這些結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間，使得產(chǎn)品更加小型化。而在制造流程上也更加簡單，甚至可以達到一體化制作，其各項結(jié)構(gòu)的功能只需要設(shè)計在產(chǎn)品的各模塊即可。

4 3D打印技術(shù)對工業(yè)設(shè)計發(fā)展的影響

4.1 設(shè)計內(nèi)容的擴展

對于大部分的產(chǎn)品來說，其使用功能與產(chǎn)品的形態(tài)與構(gòu)造息息相關(guān)，而在信息時代下，電子產(chǎn)品的應(yīng)用也離不開這個規(guī)律，因為其數(shù)據(jù)計算和通信依然需要依靠產(chǎn)品的電子元件與結(jié)構(gòu)特性，這種細(xì)微的結(jié)構(gòu)以及電子元件的制作就不得不提到工程學(xué)和材料學(xué)。而3D打印技術(shù)對于制造業(yè)就更像是一個橋梁，將設(shè)計與工程兩種截然不同的概念聯(lián)系在了一起，通過該技術(shù)來將原材料進行合理組合，得到新型材料，從而使得具備多元結(jié)構(gòu)的微型電子結(jié)構(gòu)和元件能夠被同時打印出來，這是傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計工作無法做到的。3D打印技術(shù)的發(fā)展使得制造業(yè)從連續(xù)模擬材料轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化打印，從簡單的模型制作過渡到對材料的控制，材料將不再只是簡單的結(jié)構(gòu)作用，更具有一定的功能，這就使得工業(yè)設(shè)計的范疇進一步擴大[3]。

4.2 設(shè)計權(quán)重的傾斜

制造業(yè)的核心就在于批量生產(chǎn)，而這些批量生產(chǎn)出來的產(chǎn)品核心就在于其技術(shù)、設(shè)計、制造等層面，其中設(shè)計是非常重要的一項工作。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，工業(yè)設(shè)計效果大多都比較直觀，但是設(shè)計本身的價值卻并不明顯。而應(yīng)用了3D打印技術(shù)下的分散制造體系中，批量生產(chǎn)的規(guī)模減小，并進一步減小制造環(huán)節(jié)和營銷環(huán)節(jié)帶來的影響，甚至因為該技術(shù)簡單易操作使得很多產(chǎn)品的核心制造技術(shù)得到了開源，所以工業(yè)設(shè)計工作的權(quán)重也逐漸傾斜，創(chuàng)造性工作將占據(jù)主導(dǎo)位置。

4.3 設(shè)計流程的演變

因為3D打印技術(shù)的優(yōu)秀特點，其設(shè)計出來的產(chǎn)品將會擁有更加細(xì)分的用戶群，甚至很多時候可以達到個人的個性化選擇需求，所以與傳統(tǒng)設(shè)計流程的不同，設(shè)計工作不再以批量化生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為核心，而是以用戶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在概念設(shè)計時就可以確定其技術(shù)參數(shù)和人機尺寸，其樣品也可以直接交付用戶來試用，而這一過程大部分都可以通過軟件來進行，同樣也根據(jù)軟件產(chǎn)品的快速迭代模式來進行優(yōu)化，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。而隨著3D打印技術(shù)的普及，用戶甚至可以自行設(shè)計一些技術(shù)強度不大的產(chǎn)品，也就是說工業(yè)設(shè)計工作直接融入銷售與定制過程，這將是整個工業(yè)模式與營銷模式的革新。

4.4 設(shè)計方法和工具的發(fā)展

3D打印技術(shù)的設(shè)計方法和設(shè)計工具與傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計中所用到的設(shè)計方法和設(shè)計工具有著很大的差異。一方面，在設(shè)計思維層面，因為3D打印所帶來的自由化設(shè)計和便捷化設(shè)計，所以在設(shè)計上必須達到更高的創(chuàng)新性，要改變傳統(tǒng)制造業(yè)簡單的建模和模仿生產(chǎn)。另一方面，3D打印技術(shù)必須依靠軟件，充分發(fā)揮出3D打印中龐大計算力和繁雜結(jié)構(gòu)構(gòu)建能力的優(yōu)勢。目前在設(shè)計方法和設(shè)計工具上有三種發(fā)展趨勢，也就是條件式設(shè)計、生成式設(shè)計和進化式設(shè)計[4]。

5 結(jié)束語

本文對3D打印技術(shù)進行闡述，列舉了四類3D打印技術(shù)并闡述了其特點與優(yōu)勢，探究了3D打印技術(shù)在多個領(lǐng)域工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用，并分析其對工業(yè)設(shè)計的發(fā)展影響。可以說，3D打印技術(shù)擁有非常好地發(fā)展優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]余森林，毛一鳴.工業(yè)4.0時代3D打印技術(shù)對工業(yè)設(shè)計的系統(tǒng)性影響[J].設(shè)計，2016（19）：64-65.

[2]高越.3D打印技術(shù)影響下設(shè)計師與產(chǎn)品設(shè)計的重新定位[D].北京理工大學(xué)，2015.

[3]劉勇利.3D打印對工業(yè)設(shè)計的促進作用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（29）：129.

[4]趙婧.3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用研究與前景展望[D].太原理工大學(xué)，2014.