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：設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，越來越多地使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，其發(fā)揮的作用越來越大。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的帶動下，產(chǎn)生了3D打印技術(shù)，并且3D打印技術(shù)越來越成熟。本文著重介紹了計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，以期待對兩者的更好融合應(yīng)用有所裨益。

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

一百多年前，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，大都從色彩、結(jié)構(gòu)等單個(gè)方面進(jìn)行單一的設(shè)計(jì)。一百多年后，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)演變?yōu)橐环N創(chuàng)造性的活動，將工業(yè)產(chǎn)品的外延屬性進(jìn)一步擴(kuò)展，從整個(gè)產(chǎn)品的使用屬性、過程和服務(wù)等各個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的種類得到極大的豐富，人們的生活方式受到較大的影響。20世紀(jì)80年代，我國開始有了工業(yè)設(shè)計(jì)的雛形，其設(shè)計(jì)方法、表現(xiàn)技法等方面都受到工藝美術(shù)的影響。之后的十年，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國的制造業(yè)發(fā)展速度較快。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用。3D技術(shù)的發(fā)展較晚，但是發(fā)展速度是比價(jià)快的。隨著3D技術(shù)的逐步完善，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)開始利用3D技術(shù)打印產(chǎn)品。3D技術(shù)的出現(xiàn)，具有較大的優(yōu)勢，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期被極大的縮減，制造程序極大的簡化。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師借助計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，對于產(chǎn)品的審核、檢驗(yàn)等可以較為直觀的呈現(xiàn)在眼前，開發(fā)周期大大縮短，可以將產(chǎn)品快遞的投入市場，最大程度地提高企業(yè)的利潤率。

1 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，英文名稱為CAD-Computer Aided Design。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，英文全稱Computer Aided Industri-al Design，簡稱CAID。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)開發(fā)而來的。工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究對象。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域煥發(fā)了新的生命力。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法、效率等方面都有了質(zhì)的提升，這是傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)所無法比擬的。目前，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)在很多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是各種信息技術(shù)的集大成者，可謂是多種綜合性學(xué)科交叉的產(chǎn)物[1]。

某個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)流程是較為復(fù)雜的，具體來說包括市場調(diào)研、設(shè)計(jì)、草圖和效果圖、各種模型的制作、批量生產(chǎn)等幾個(gè)方面。在整個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程中，可視化的程序占了較大的比例。于是，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的作用便有了用武之地。舉例來說，可利用Photoshop、Illustrator、Coreldraw等輔助軟件做二維效果圖，可利用Rhinoceros、3DMax、Maya等三維軟件制作模型，之后再進(jìn)行渲染，可利用Pro/Engi-neer、SolidWorks、CATIA等工程軟件計(jì)算模型數(shù)據(jù)，后期的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)可直接利用這些數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的使用手繪效果圖和手工制作模型相比，利用CAID，一方面能夠節(jié)約時(shí)間，另一方面具有直觀、高效的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的功能日益強(qiáng)化，設(shè)計(jì)過程中，利用智能化、集中化的設(shè)計(jì)軟件，有助于設(shè)計(jì)者利用較少的時(shí)間和精力來完成自己的設(shè)計(jì)夢想。在這種情況下，借助于技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)師可以有更多的時(shí)間用于設(shè)計(jì)創(chuàng)造[2]。

當(dāng)前，設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)熟練的適應(yīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助。筆者認(rèn)為，應(yīng)該將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用的階段進(jìn)行拓展，舉例來說，早期的調(diào)研階段，可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)做好信息的分析、采集。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)定位的過程中，可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，這種情況下，定位會更加的準(zhǔn)確可靠。此外，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合人體工程學(xué)，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)模型。之后，與人體數(shù)據(jù)庫對比，尋找差距，最終優(yōu)化出更加合適的數(shù)據(jù)，以此改進(jìn)設(shè)計(jì)。從多方位多角度利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，達(dá)到提高工業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

客觀來說，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展體系中，CAID技術(shù)的應(yīng)用并沒有形成完整的體系。在未來的工業(yè)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該持續(xù)深化CAID技術(shù)的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CAID的技術(shù)水平及應(yīng)用水平必將得到持續(xù)深化。目前，在人工智能領(lǐng)域，其技術(shù)逐步成熟。我們有理由相信，人工智能技術(shù)與CAID技術(shù)兩者將得到持續(xù)融合，人工智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將得到建立，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)過程中提供持續(xù)的應(yīng)用服務(wù)。利用CAID和人工智能的聯(lián)合應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可持續(xù)獲得各方面的應(yīng)用信息，幫助設(shè)計(jì)師做出更好的選擇，以設(shè)計(jì)更好的工業(yè)產(chǎn)品，以為現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。

2 3D打印技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)概述

3D打印技術(shù)，最早始于上世紀(jì)90年代。3D打印技術(shù)，利用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)，根據(jù)設(shè)定的數(shù)字模型文件，輸出可粘合材料最終實(shí)現(xiàn)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)應(yīng)該在各個(gè)行業(yè)有了廣泛的使用，諸如磨具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、建筑、教育等等都有3D打印技術(shù)的應(yīng)用[3]。

在工業(yè)設(shè)計(jì)方面，3D打印技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)階段，手鈑模型需要進(jìn)行手工制作。制作這個(gè)模型的目的是對設(shè)計(jì)的合理性和可行性進(jìn)一步校驗(yàn)。但是，手工制作，需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，制作成本來說相對較高。運(yùn)用3D打印技術(shù)，相對來說就較為簡單。利用3D打印機(jī)和相應(yīng)的材料，短時(shí)間內(nèi)就可以制作完成。這樣出來的成品，不僅精度高，而且可以制作較為復(fù)雜的模型。在這種情況下，產(chǎn)品的研發(fā)周期被大大縮短，開發(fā)成本也得以降低。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)配套產(chǎn)生的增多，3D打印機(jī)的成本下降明顯。許多企業(yè)和設(shè)計(jì)公司，已經(jīng)配備了3D打印機(jī)。許多的網(wǎng)站都在銷售“mini”型的家庭打印機(jī)，為普通市民了解3D打印機(jī)創(chuàng)造了條件。

3D打印技術(shù)最早是由設(shè)計(jì)者提出的。有了3D打印機(jī)，產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)有了助飛的翅膀?？梢赃@樣說，有了3D打印機(jī)，制造業(yè)和工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)生了翻天覆地的變化。3D打印技術(shù)已經(jīng)對人們生活的方方面面產(chǎn)生影響。舉例來說，人們可以利用3D打印技術(shù)來打造一些具有特殊功能的適合人類居住的房子。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行人體器官的打印，將對醫(yī)學(xué)界產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。利用3D打印機(jī)可打印鞋子、衣服等等，所有這樣，將會對于人類的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生不可估量的深遠(yuǎn)影響。

3 CAID與3D打印技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

CAID和3D打印技術(shù)兩者的關(guān)系如何，筆者認(rèn)為，兩者是相輔相成的關(guān)系。前者為后者提供了數(shù)據(jù)模型，后者讓前者的虛擬產(chǎn)品變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)中的產(chǎn)品，可謂是前進(jìn)了一大步。工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，充分將CAID和3D打印技術(shù)融合。極大的優(yōu)化了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程和方法。我們有充分的理由相信，只要將兩者的技術(shù)充分的結(jié)合好，這兩種技術(shù)方法的作用將會不可估量。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，郝建峰利用McNeel公司開發(fā)的Rhinoceros軟件和多邊形建模插件T-spline設(shè)計(jì)制作了桃桃和花花模型。利用T-spline的自由多邊模型的構(gòu)建功能，制作完成了這兩個(gè)吉祥物的身體。之后，利用NURBS的多邊形曲面命令，借助Rhinoceros軟件，對NURBS曲面進(jìn)行編輯修飾，對一些細(xì)節(jié)目標(biāo)進(jìn)行完善，最終創(chuàng)建了整個(gè)數(shù)據(jù)模型。將數(shù)據(jù)模型以STL格式導(dǎo)出，之后將數(shù)據(jù)與3D打印機(jī)連接，進(jìn)行模型打印。對3D打印機(jī)進(jìn)行一系列的相關(guān)設(shè)置之后，逐層進(jìn)行打印。打印完成之后，采用人工的方式進(jìn)行清理和修整。最終大約花費(fèi)了一周的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型制作和3D打印。從實(shí)際的效果來看，是比較成功的[4]。

4 結(jié)語

工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)演變?yōu)橐环N創(chuàng)造性的活動，將工業(yè)產(chǎn)品的外延屬性進(jìn)一步擴(kuò)展，從整個(gè)產(chǎn)品的使用屬性、過程和服務(wù)等各個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的種類得到極大的豐富，人們的生活方式受到較大的影響[5]。20世紀(jì)80年代，我國開始有了工業(yè)設(shè)計(jì)的雛形，其設(shè)計(jì)方法、表現(xiàn)技法等方面都受到工藝美術(shù)的影響。之后的十年，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國的制造業(yè)發(fā)展速度較快。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用[6，7]。3D技術(shù)的發(fā)展較晚，但是發(fā)展速度是比價(jià)快的。隨著3D技術(shù)的逐步完善，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)開始利用3D技術(shù)打印產(chǎn)品。3D技術(shù)的出現(xiàn)，具有較大的優(yōu)勢，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期被極大的縮減，制造程序極大的簡化。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師借助計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，對于產(chǎn)品的審核、檢驗(yàn)等可以較為直觀的呈現(xiàn)在眼前，開發(fā)周期大大縮短，可以將產(chǎn)品快遞的投入市場，最大程度地提高企業(yè)的利潤率。本文著重介紹了計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，以期待對兩者更好融合應(yīng)用有所裨益。

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[3][美]利普森，[美]庫曼著，賽迪研究院專家編譯.3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí)[M].北京：中信出版社，2013.

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[7]黨倩.基于ASP技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].自動化與儀器儀表，2014（7）：118-120.

作者簡介：周楠（1980—?），女，滿族，湖北孝感人，碩士研究生，高校講師，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。