3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用綜述

韓鎧 孫明陽

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展、時代的進步，3D打印技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的新時代。與此同時，隨著人們對美好生活的向往，3D打印技術(shù)更加可以滿足人們個性化需求，3D打印技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，以在玩具、家居制品等領(lǐng)域中最為突出。本文針對3D打印技術(shù)的原理以及存在的特性進行綜合分析，并對3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史展開論述。

關(guān)鍵詞：3D打印史;產(chǎn)品設(shè)計;應(yīng)用

0 引言

3D打印技術(shù)具有非常大的市場優(yōu)勢，這些優(yōu)勢是傳統(tǒng)工藝制造所不能比較的。比如在同樣傳統(tǒng)制造行業(yè)下，不增加產(chǎn)品的制造成本，做到最少的花費，做出更加精美、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，無須消耗人力，節(jié)省一大筆資金。3D打印技術(shù)應(yīng)用前景十分廣泛，在工業(yè)制造上也有很大的造就，已經(jīng)在航空航天、汽車制造、傳統(tǒng)建筑制造上有了顯著的成效。3D打印技術(shù)在市場上有著很強大的競爭力，因為它可以滿足人們的日常需求，注重理性與功能，為產(chǎn)品的多元化開拓了更大的發(fā)展空間。

1 3D打印技術(shù)的定義及特點

隨著時代的進步與發(fā)展，人們創(chuàng)造了一種嶄新的科技成果，即3D打印技術(shù)，也將它稱為“快速成型技術(shù)”。3D打印通常是通過數(shù)字技術(shù)材料與打印機來實現(xiàn)的，通過逐層的添加打印的制造方式將各種材料進行高效融合。3D打印技術(shù)的特性是更注重多元化的發(fā)展、定制化以及智能化發(fā)展。目前，3D打印技術(shù)能夠在精度比較高的層面上進行打印制作，并且能夠使用多種材料復(fù)合而成。

1.1 3D打印的技術(shù)工藝

3D打印工藝包括SLA（立體光固化成型技術(shù)），它是通過激光掃描，在實體材料上進行雕刻，按照設(shè)計圖參數(shù)勾勒，一層完成之后進行下一層，直到完成整個模型打印。層層疊加后打印成一個三維物體。SLS（選擇性激光燒結(jié)），即通過激光選擇性地分層燒結(jié)，并使制作后的表面層屢次疊加，而后生成我們想要的零部件。LOM（分層實體制造法），由片材組成，利用激光切割系統(tǒng)在計算機上得到應(yīng)有的操作數(shù)據(jù)，將材料雕刻出外部造型。完成第一層后，將材料覆蓋，然后粘貼進行第二次操作，最終成為三維工件。FDM（熔積成型法），它利用絲狀材料為原料，將材料加熱到高溫熔化程度后，打印噴頭由X到Y(jié)水平移動，把融化后的材料均勻涂抹至工作臺上，然后繼續(xù)打印下一步。3DP技術(shù)，即3DPrinting，采用噴墨式的原理，通過將材料鋪至工作臺上，參考打印數(shù)據(jù)進行逐層的打印，最終得到3D實物模型。

1.2 現(xiàn)有3D打印技術(shù)存在的問題

1.2.1 材料的限制

目前無法實現(xiàn)打印的材料還非常多。材料的限制主要表現(xiàn)為兩個方面，一方面，目前的3D打印技術(shù)可打印的材料種類有限，無法完全適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中所需的各種各樣的材料的打印，使得3D打印技術(shù)只能應(yīng)用于一些特定場合，普及推廣仍有很大的障礙。另一方面，針對每種或每類材料，就需要設(shè)計專屬的3D打印機，通用性不如傳統(tǒng)的機械加工好。

1.2.2 打印效率低

效率低可以從兩個角度進行分析。第一，需要去除的材料少，加工比較快;而3D打印技術(shù)必須將所有零件實體所需材料通過增材方式堆疊，材料體積大。第二，從成型運動方面考慮，傳統(tǒng)的機械加工主運動多為旋轉(zhuǎn)運動，而3D打印技術(shù)為直線運動，旋轉(zhuǎn)運動更容易達到更快的速度，直線運動很難達到較快的速度。

1.2.3 質(zhì)量和精度低

首先是質(zhì)量問題，零件材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)決定了零件的物理性能如強度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、氣密性等大多不能滿足工程實際的使用要求。其次是精度問題，打印成型零件的精度包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度都較差，不能作為功能性零件，只能作原型件使用。

2 3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，3D打印成為產(chǎn)品領(lǐng)域中的重要成分，告別傳統(tǒng)的制造模式與通俗的幾何造型，開始探索新的發(fā)展趨勢，跟隨時代的步伐。圖1是3D打印發(fā)展時間線。3D打印技術(shù)突破了以往傳統(tǒng)的技術(shù)并在設(shè)計中使用全新的制作過程，告別因材料、設(shè)施以及造型因素等的限制。從不同的觀點來看，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中更加符合它的特定要求。與此同時，3D打印系統(tǒng)根據(jù)時代的要求、不同的人文藝術(shù)與科學技術(shù)要求，不論造型多么復(fù)雜多樣，構(gòu)造多么煩瑣的產(chǎn)品都可以通過打印技術(shù)進行打印，并且不會脫離設(shè)計本身。因此，當代設(shè)計師就會把更多的時間和精力放在產(chǎn)品設(shè)計理念的創(chuàng)新上。不但如此，隨著產(chǎn)品造型的設(shè)計多元化，越來越具創(chuàng)造性，設(shè)計師更加注重產(chǎn)品的視覺效果與造型理念，同時也會影響著消費者的審美程度與消費心理。

3 3D打印發(fā)展歷史

1984年，美國人查爾斯·胡爾（Charles W.Hull）發(fā)明了SLA，即立體平板印刷技術(shù)，后人把胡爾稱為“3D打印技術(shù)之父”。1986年，胡爾成立了3D Systems公司，研發(fā)了STL文件格式;同年，NSF贊助Helisys公司研發(fā)出LOM，即分層實體制造技術(shù)。20世紀，3D打印技術(shù)促進了科技時代的進步，為21世紀的發(fā)展創(chuàng)造了更大的空間。2005年，Z Corporation推出世界第一臺彩色3D打印機Spectrum Z510;2009年，ASTM F42增材制造技術(shù)委員會成立，同年，F(xiàn)DM關(guān)鍵專利到期，MakerBot推出基于RepRap開源系統(tǒng)的產(chǎn)品。2010年，美國Organovo公司研制出了全球首臺3D生物打印機。2011年，比利時哈瑟爾特大學生物醫(yī)學研究院開發(fā)制造了金屬下頜骨。2012年，美國建立國家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII）;Statasys和Objet完成行業(yè)內(nèi)最大規(guī)模合并;GE收購3D打印服務(wù)商Morris Technologies。2013年，第一屆Inside 3D大會召開，耐克公司設(shè)計出第一款3D打印運動鞋，美國Solid Concepts公司設(shè)計制造出全球首支3D打印金屬槍。2014年，Stratasys完成對MakerBot的收購;3D打印上市公司市值大幅縮水;HP發(fā)布MJF技術(shù)。2015年，3D Systems收購無錫易維，創(chuàng)建3D Systems中國;佳能、理光、東芝、歐特克、微軟和蘋果紛紛涉足3D打印市場。2016年，以色列XJet發(fā)布納米顆粒噴射成型金屬打印設(shè)備;哈佛大學研發(fā)出3D打印腎小管;Carbon推首款基于CLIP技術(shù)的3D打印機。近階段，人們又第一次搬入3D打印房屋，房屋面積為1022平方英尺，非常適合居住，打印時長兩天，就建筑應(yīng)用而言，現(xiàn)在3D打印房屋已經(jīng)成為現(xiàn)實。

4 產(chǎn)品領(lǐng)域中3D打印的未來發(fā)展

3D打印作為一種新的技術(shù)思潮，逐漸流行起來，將對傳統(tǒng)的制造方式與生產(chǎn)模式帶來巨大的變革。產(chǎn)品領(lǐng)域中3D打印應(yīng)用得特別廣泛，發(fā)展前景遠大，同時又影響著汽車、醫(yī)療、航天、生物、珠寶首飾、家居、建筑等相關(guān)領(lǐng)域。當今，3D打印發(fā)展最為明顯的就是快速模具技術(shù)，甚至科學家們已經(jīng)研制出可以打印可穿著的衣物的復(fù)合纖維打印機，不需要進行二次加工，一氣呵成，在浪費材料這個問題上得到了很大的改善，其打印效率與打印速度也在飛速提高。3D打印的市場在我國也是很不錯的，政府也一直出臺政策在扶持這個行業(yè)的發(fā)展。3D打印技術(shù)衍生的設(shè)計、軟件、材料、數(shù)字制造等新的產(chǎn)業(yè)鏈，正在逐步優(yōu)化傳統(tǒng)制造，構(gòu)建全新的制造生態(tài)。

5 結(jié)語

作為一種新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，可以預(yù)見在將來很長一段時間內(nèi)，3D打印技術(shù)仍然將被大眾廣泛關(guān)注。由于看好3D打印技術(shù)所表現(xiàn)出來的寬泛的應(yīng)用前景，許多發(fā)達國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展布局3D打印產(chǎn)業(yè)。未來，3D打印技術(shù)的進一步改善，不僅會改變傳統(tǒng)的制造行業(yè)模式，而且也會影響人類的各種生活方式，提高我們的生活質(zhì)量;并且人們的想象力、創(chuàng)作靈感不再受傳統(tǒng)制造行業(yè)的束縛，設(shè)計師的設(shè)計能力與制造能力會有所提高。市場上會不斷出現(xiàn)嶄新的設(shè)計產(chǎn)品，并會更加針對用戶的個性化定制設(shè)計，人們只需要通過3D打印機就可以得到屬于自己的定制產(chǎn)品。

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作者簡介：韓鎧（1995—），男，黑龍江人，本科，實驗員，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計。

孫明陽（1977—），男，吉林人，研究生，講師，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計。