3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與問(wèn)題研究

◇暢婉君

3D 設(shè)計(jì)是新一代數(shù)字化、虛擬化和智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)，是一種基于二維和二維設(shè)計(jì)的新興設(shè)計(jì)方法，可以使設(shè)計(jì)目標(biāo)更加立體化、形象化。1986年，美國(guó)發(fā)明家Charles Hull 發(fā)明了立體光刻技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了3D 打印技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。如今，3D 打印機(jī)使用增材制造的方法制造三維物體，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維形狀。以3D 設(shè)計(jì)和3D 打印為代表的數(shù)字化制造提升了設(shè)計(jì)的自由度，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的可能性，深受設(shè)計(jì)師和企業(yè)的喜愛(ài)。隨著科技的發(fā)展，3D打印機(jī)未來(lái)的使用會(huì)爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)3D 技術(shù)人才的需求也將逐漸顯現(xiàn)。

一、3D打印技術(shù)

（一）增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)最初用于設(shè)計(jì)和原型制作部門(mén)，目的是形成用于加工的物理模型和主模型。增材制造技術(shù)是指基于離散—堆積原理，以零件三維數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。其技術(shù)是根據(jù)切片的數(shù)據(jù)（橫截面形狀）一層一層地分層創(chuàng)建物理模型。作為創(chuàng)建三維切片數(shù)據(jù)的一種手段，使用激光在液態(tài)光固化樹(shù)脂上繪制橫截面形狀，被激光照射的部分會(huì)固化（液態(tài)樹(shù)脂聚合成為固態(tài)樹(shù)脂），在表面形成一層薄薄的液態(tài)光固化樹(shù)脂，形成下一個(gè)橫截面形狀，重復(fù)此過(guò)程可以獲得模型對(duì)象。

3D 打印的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國(guó)。1892年，J.E.Blanther 在其專(zhuān)利中建議使用分層制造法構(gòu)成地形圖，首創(chuàng)了增材制造原理。1980年，名古屋工業(yè)研究所的教授發(fā)明了光造型法，但并未用于實(shí)際。直至1988年，美國(guó)3D Systems 公司發(fā)布了世界第一臺(tái)應(yīng)用SLA 光固化成型技術(shù)的立體光刻商用機(jī)器，標(biāo)志著增材制造技術(shù)通過(guò)3D 打印機(jī)開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用。同年，美國(guó)人Scott Crump 發(fā)明了一種新的3D 打印技術(shù)——熔融沉積成型，通過(guò)從噴嘴中釋放樹(shù)脂并使其硬化的方法來(lái)創(chuàng)建模型。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模和形狀與功能測(cè)試，并不適用于制造大型零件。

真正使3D 打印技術(shù)走向高潮的是2012年3月，為重振美國(guó)經(jīng)濟(jì)和美國(guó)制造業(yè)，當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出建設(shè)全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，并在總統(tǒng)任期內(nèi)的國(guó)情咨文演講中強(qiáng)調(diào)了3D 打印技術(shù)的重要性，賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任。隨著該計(jì)劃熱度顯著增長(zhǎng)，3D 打印成為一個(gè)耳熟能詳?shù)拿~，不僅為工業(yè)界的制造人員所熟知，也為普通大眾所熟知。

3D 打印機(jī)是根據(jù)3D CAD、3D CG 等3D 軟件制作的3D 數(shù)據(jù)，對(duì)斷面形狀進(jìn)行層壓，制作3D 模型的設(shè)備的總稱(chēng)。一般而言，普通打印機(jī)是將墨水噴射到紙張等平面上，以打印字符和圖形。3D 打印機(jī)則是使用各種技術(shù)構(gòu)建三維物體，再通過(guò)分層技法實(shí)現(xiàn)打印。例如堆疊熔化的樹(shù)脂或通過(guò)用高功率激光照射粉末材料來(lái)燒結(jié)成型。

在增材制造方法中，由于三維物體的橫截面形狀是堆疊的，因此可以制造任何形狀的物體。但與此同時(shí)，數(shù)據(jù)處理是必要的，建模后需要處理以切斷支撐。接觸形狀的部分做得更薄，更易去除。除此之外，也有無(wú)須支撐體的方法，例如粉末層壓法、薄板層壓法和立體光刻法。加熱光固化樹(shù)脂并以溶膠狀態(tài)（液體）將其涂敷以形成薄層，用紫外線照射物體使其固化，并依次重復(fù)此過(guò)程。最后，加熱以沖洗掉未反應(yīng)的光固化樹(shù)脂成型。而這種未反應(yīng)的光固化樹(shù)脂可以重復(fù)使用。

（二）3D 打印機(jī)

3D 打印機(jī)沒(méi)有明確的定義。在增材制造設(shè)備方面，高價(jià)機(jī)型通常是功能強(qiáng)、價(jià)格高的高端機(jī)型，反之低端機(jī)型是低價(jià)機(jī)型。3D 打印機(jī)作為3D CAD 輸出機(jī)器，用以制造產(chǎn)品的概念模型。增材制造從一開(kāi)始就是為了將3D CAD 設(shè)計(jì)的電腦顯示器上的三維形狀制造成實(shí)際模型。雖然可以將所有增材制造設(shè)備用作3D 打印機(jī)，但將數(shù)以百萬(wàn)的設(shè)備稱(chēng)為打印機(jī)太過(guò)奢侈。

除此之外，增材制造需要專(zhuān)人操作，雖然技術(shù)一直在改進(jìn)，但對(duì)于產(chǎn)品的尺寸精度和外形品質(zhì)的高需求，使得3D CAD 的設(shè)計(jì)人員提出了更高的需求，尋求一種可以更容易檢查形狀、低成本的設(shè)備。3D 打印機(jī)響應(yīng)了這種需求，使設(shè)計(jì)人員可以提前確認(rèn)形狀，用以防止錯(cuò)誤、提高工作質(zhì)量。

二、3D CAD設(shè)計(jì)軟件

（一）3D CAD

現(xiàn)在的3D 打印機(jī)主要是3D CAD 設(shè)計(jì)軟件的輸出機(jī)。在各個(gè)制造行業(yè)，3D CAD 軟件已成為設(shè)計(jì)產(chǎn)品、工具和制造設(shè)備的公認(rèn)媒介。在工業(yè)流程中，3D系統(tǒng)越來(lái)越多用于設(shè)計(jì)工廠和生產(chǎn)系統(tǒng)。

隨著3D CAD 的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)方法發(fā)生了顯著的變化。在3D 出現(xiàn)之前，形狀以二維形式表示，多為三視圖（主視圖、俯視圖、左視圖）。雖然直至今日，這種方法仍然被廣泛使用，但是這種方法不能說(shuō)是在三個(gè)維度上表示事物，只是對(duì)于作品或產(chǎn)品而言平面的3D 記錄。但使用3D CAD 制圖可以旋轉(zhuǎn)和更改視點(diǎn)，使作品或產(chǎn)品更加直觀和立體。

3D CAD 設(shè)計(jì)軟件中，三維數(shù)字模型分為三種類(lèi)型，即僅表示邊緣的線框模型、通過(guò)定義面表示形狀的曲面模型和描述實(shí)體的實(shí)體模型。其中，可通過(guò)增材制造生成的數(shù)值模型是曲面模型和實(shí)體模型。

3D CAD 可在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建虛擬3D 空間，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)形成3D 信息，并將其顯示在監(jiān)視器屏幕上。除了表達(dá)形狀外，還可以在屏幕上輸入、計(jì)算和反映體重和表面積等物理信息。

（二）3D CAD 帶來(lái)的變化

設(shè)計(jì)的趨勢(shì)隨著時(shí)代的發(fā)展而變化。影響設(shè)計(jì)變化的原因有兩個(gè)方面：一是當(dāng)下社會(huì)的趨勢(shì)，二是原材料及其加工方法。隨著時(shí)間的推移，材料和加工方法不斷發(fā)展，塑料加工方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)，所需的機(jī)器被制造出來(lái)，并且開(kāi)始生產(chǎn)塑料產(chǎn)品。

未來(lái)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新需要考慮軟件、硬件和材料。3D CAD 最早用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，極大地影響了人類(lèi)的生活。現(xiàn)在，3D CAD 用于產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)與模擬，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本的目標(biāo)。3D CAD 受到關(guān)注的另一個(gè)原因是增加了產(chǎn)品形狀的復(fù)雜性。如果形狀復(fù)雜，二維圖形無(wú)法表示，但在計(jì)算機(jī)上可以完整表示。

從物體以3D 形式表示形狀之后，設(shè)計(jì)者們開(kāi)始使用該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。像實(shí)物一樣，使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)創(chuàng)建，并且在實(shí)際制作之前評(píng)估外觀，這稱(chēng)為可視化。例如，在實(shí)際制造汽車(chē)之前，可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)它并更改顏色和照明。目前，多數(shù)公司都在使用這種方法，以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

此外，人們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出通過(guò)預(yù)先輸入產(chǎn)品形狀的定義（約束條件、期望的性能等），然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成形狀的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)輸入算法，可以獲得計(jì)算機(jī)生成的3D 形狀。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在多運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)。

這樣的變化對(duì)制造產(chǎn)品有何幫助？例如，設(shè)計(jì)一把椅子，如果將增加重量和強(qiáng)度作為這把椅子的限制，設(shè)計(jì)就會(huì)變得復(fù)雜。將約束和目標(biāo)性能輸入計(jì)算機(jī)后，就會(huì)出現(xiàn)滿足強(qiáng)度的輕型設(shè)計(jì)，即可提出多個(gè)限制條件的設(shè)計(jì)。人們也可從中選擇自己喜歡的設(shè)計(jì)。

（三）數(shù)字化發(fā)展

3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)凸顯。數(shù)字化的成型技術(shù)可省去多種傳統(tǒng)制造步驟。為了提高效率，拓寬設(shè)計(jì)空間，多數(shù)企業(yè)從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)向三維設(shè)計(jì)，特別是在汽車(chē)領(lǐng)域，使用曲面模型和實(shí)體模型的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流。對(duì)于設(shè)計(jì)成品的展示和研討，則是以3D 數(shù)據(jù)的形式交換設(shè)計(jì)信息。在3D CG 中，曲面模型和實(shí)體模型已被廣泛使用，最常見(jiàn)的使用3D CG 的行業(yè)是游戲、動(dòng)漫、電影、特效、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)等。通過(guò)3D 設(shè)計(jì)軟件建模，再進(jìn)行素材設(shè)定等，可賦予游戲角色和畫(huà)面更強(qiáng)的真實(shí)性和豐富性。除此之外，3D 攝影也以一種用CCD 相機(jī)拍照并將其轉(zhuǎn)換為曲面模型的方法投入實(shí)際使用。

在國(guó)家重點(diǎn)機(jī)型研制中，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院將全新3D 打印技術(shù)與3D 數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合。飛機(jī)零部件從設(shè)計(jì)到打印成型，實(shí)現(xiàn)了操作流程化，大大縮短了開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期，減少了焊接和裝配工序，特別是克服了鈦金屬焊接腐蝕問(wèn)題，不僅加工精度達(dá)到要求，而且材料的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性都較好。這在符合設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，減少鈦合金材料的使用，實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約。

三、3D技術(shù)人才的不足

隨著3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和3D CAD 設(shè)計(jì)軟件的廣泛使用，3D 技術(shù)人才需求量也在逐年遞增。3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，已逐漸成長(zhǎng)為能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求、實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。3D 打印技術(shù)衍生的設(shè)計(jì)、材料、軟件、數(shù)字制造等新型產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步優(yōu)化傳統(tǒng)制造，構(gòu)建新的制造生態(tài)系統(tǒng)。然而，在行業(yè)快速成長(zhǎng)的同時(shí)，我國(guó)3D 技術(shù)人才建設(shè)的短板已成為行業(yè)突破更高水平的重要障礙。解決人才培養(yǎng)問(wèn)題已成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前短缺的技術(shù)人才超過(guò)1000 萬(wàn)。其中，制造業(yè)對(duì)3D 人才的需求量最大，缺口約800 萬(wàn)人。與傳統(tǒng)工業(yè)時(shí)代的工匠不同，數(shù)字時(shí)代的工匠既不是普通的技術(shù)人員，也不是科研人員。他們將3D 技術(shù)和數(shù)字思維應(yīng)用到設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級(jí)。但目前很少有3D 技術(shù)人才能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)思想與技術(shù)結(jié)合起來(lái)，然后應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，這必然會(huì)影響未來(lái)3D 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。

四、3D打印技術(shù)發(fā)展對(duì)策

（一）建立學(xué)科教學(xué)

學(xué)習(xí)平臺(tái)的建立是學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，應(yīng)加大力度開(kāi)展3D 設(shè)計(jì)課程教育，特別是在高職院校開(kāi)展3D CAD 的課程教學(xué)。制定專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案，引進(jìn)3D 設(shè)計(jì)專(zhuān)職教師，購(gòu)置3D 打印設(shè)備，整合學(xué)習(xí)資源，建立實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)基地，將基礎(chǔ)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)中，培養(yǎng)同時(shí)具備3D 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和3D打印技術(shù)的高技能應(yīng)用型人才。根據(jù)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的需求建立新專(zhuān)業(yè)，如動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)、文創(chuàng)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)等。充分利用校企合作，使學(xué)生通過(guò)企業(yè)實(shí)習(xí)提前適應(yīng)崗位和社會(huì)，能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，具備更高的綜合素質(zhì)和更強(qiáng)的創(chuàng)新能力。

（二）增加專(zhuān)業(yè)賽項(xiàng)

在現(xiàn)有的工業(yè)與工程設(shè)計(jì)、數(shù)字建筑BIM 設(shè)計(jì)、企業(yè)命題等大賽的基礎(chǔ)上，增加3D 創(chuàng)新大賽等?？扇谌氘?dāng)今社會(huì)流行的新媒體運(yùn)營(yíng)，開(kāi)辦微電影網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)意大賽，加速3D 產(chǎn)業(yè)鏈整合，推進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。通過(guò)增加3D 設(shè)計(jì)類(lèi)型的比賽，為學(xué)校和企業(yè)之間搭建交流平臺(tái)，以賽促產(chǎn)，以產(chǎn)帶賽，達(dá)到產(chǎn)教融合的目的，最終促進(jìn)3D 技術(shù)人才的培養(yǎng)。依托大賽平臺(tái)，推動(dòng)3D 打印技術(shù)的推廣，引領(lǐng)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)習(xí)實(shí)踐的落實(shí)。

（三）實(shí)施緊缺型人才扶持

相關(guān)部門(mén)應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策扶持人才培養(yǎng)，從政策創(chuàng)新突破和服務(wù)保障提升等方面實(shí)施一系列人才特殊支持舉措。營(yíng)造更加開(kāi)放的人才引進(jìn)環(huán)境，例如減稅和就業(yè)落戶(hù)等。積極推進(jìn)專(zhuān)業(yè)型人才的就業(yè)專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)，推動(dòng)公益性人力資源免費(fèi)服務(wù)項(xiàng)目落實(shí)，對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員職業(yè)技能提升提供補(bǔ)貼。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著3D 打印機(jī)的普及，低價(jià)產(chǎn)品廣泛上市，多數(shù)企業(yè)都具備購(gòu)買(mǎi)3D 打印機(jī)的能力，并將其應(yīng)用于普通工作。3D 打印機(jī)的使用，終將像計(jì)算機(jī)使用文字處理來(lái)創(chuàng)建文檔一樣變得司空見(jiàn)慣，成為個(gè)人設(shè)備。著眼于3D 打印本身固然重要，但更重要的是3D技術(shù)人才的培養(yǎng)。針對(duì)專(zhuān)業(yè)型人才實(shí)際發(fā)展需求，加強(qiáng)校企合作，推動(dòng)高職院校人才培養(yǎng)計(jì)劃落實(shí)，出臺(tái)相關(guān)政策予以扶持，才能促進(jìn)3D 產(chǎn)業(yè)未來(lái)更好發(fā)展。