3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設計中的運用研究

劉向遠方

產(chǎn)品的生產(chǎn)與優(yōu)化設計需要采用新型技術(shù)，3D 打印技術(shù)是增量制造的通俗名稱，增量制造顧名思義就是通過對材料的不斷累積疊加進行的產(chǎn)品生產(chǎn)模式。它在產(chǎn)品設計中的運用，可以有效提升設計效果，當前的3D 打印技術(shù)相對多樣，設計人員要根據(jù)需求進行技術(shù)方案選擇。

一、3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設計當中應用的意義

（一）降低制造和生產(chǎn)以及管理等方面的成本

3D打印技術(shù)的另一個名稱或者是從技術(shù)角度上命名叫作增材制造，這種打印或者制造方式利用材料累積的辦法，大大降低了材料的使用和浪費，不僅節(jié)省了材料，而且省去了傳統(tǒng)制造過程中需要進行的各種車床操作，還能夠制造出傳統(tǒng)機床無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)造型。

3D 打印的另外一個特點是制造速度快，以往制造原件需要先生產(chǎn)原材料，再進行車、削來實現(xiàn)設計需要的結(jié)構(gòu)外形，而3D技術(shù)可以不需要模具和輔助工具，只需要在計算機中輸入設計圖紙，便能夠一次成行完成設計造型，省略諸多的生產(chǎn)流程，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，特別是對于結(jié)構(gòu)復雜，外形特殊的產(chǎn)品，3D 打印具備顛覆性的產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢。

另外，3D 打印還具備高度的自動化，基本不需要人工值守，便能自動完成產(chǎn)品生產(chǎn)。相比較傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，各個環(huán)節(jié)中需要各種各樣的機器設備，并且需要人為的控制產(chǎn)品的各個設計參數(shù)，3D 打印完全摒棄了這些環(huán)節(jié)，大大地節(jié)省了人工成本。

（二）打破傳統(tǒng)設計的思維局限性

3D打印技術(shù)的一體化成形原理類似于將材料按照設計圖紙進行堆疊，因此，可以通過這種方法制造出結(jié)構(gòu)極其復雜的產(chǎn)品。簡約描述生產(chǎn)流程為：設計師首先通過三維設計軟件設計出產(chǎn)品模型，設計過程中應當保證產(chǎn)品模型的完整性，然后導出STL格式，3D 打印機按照該格式內(nèi)容進行打印。3D 打印機在改進的過程中，逐漸演變成由三角形的細小單位進行產(chǎn)品部件的堆疊，因為面積較小，所以最終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加精細。3D 打印機巧妙地利用小單位物體堆疊的方式，按照圖紙形成最終的產(chǎn)品，3D 打印因此有了無限的可能性，幾乎把傳統(tǒng)制造的限制統(tǒng)統(tǒng)打破了，3D 打印好像是畫師的畫筆，只需要設計師進行天馬行空的想象和創(chuàng)作，3D 打印幾乎沒有什么事情是做不到的，這對于傳統(tǒng)制造業(yè)來講，幾乎是顛覆性的，對于特別復雜的結(jié)構(gòu)，交給3D 打印幾乎是必然的趨勢。

（三）縮短了產(chǎn)品的成型周期

隨著世界進入了消費主義的時代，地球上的人類從未像現(xiàn)在這樣熱衷于消費，這種時代使得產(chǎn)品的形態(tài)和數(shù)量得到了爆發(fā)式的增長。顯而易見，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計生產(chǎn)已經(jīng)不能適應這種快速增長的消費模式，從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品生產(chǎn)的過程耗時長。而3D打印的時代，將會終結(jié)過去的這種從設計到生產(chǎn)的漫長環(huán)節(jié)，未來的企業(yè)在利用3D 打印技術(shù)之后，能夠快速的研發(fā)，設計，生產(chǎn)，產(chǎn)品上市的周期將大大縮短，最先應用3D 打印技術(shù)的企業(yè)將獲得行業(yè)中的領先地位。

（四）節(jié)省了產(chǎn)品的研發(fā)成本

傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造小到玩具的一個零件，大到汽車飛機的模型，在設計生產(chǎn)的過程中都嚴重依賴模具，模具的生產(chǎn)成本非常的高昂，也因此，企業(yè)設計一套模具就希望能夠延長模具的使用周期，以此來控制成本。這種生產(chǎn)制造方式變相地增加了企業(yè)的研發(fā)成本。并且這種方式會產(chǎn)生較大的風險，一旦產(chǎn)品無法被市場證明，那么模具設計生產(chǎn)的費用便成了風險。3D 打印沒有這種負擔，因為設計過程只需要設計師的圖紙便能夠直接生產(chǎn)產(chǎn)品，企業(yè)可以通過少量的成品投放市場進行驗證，如果被市場證明是成功的產(chǎn)品，便可以擴大規(guī)模批量生產(chǎn)。這種模式大大地降低了企業(yè)的研發(fā)風險。3D 打印在和模具生產(chǎn)之間產(chǎn)生良好的印證作用，讓企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營模式更加靈活。

二、3D 打印技術(shù)概述

（一）熔融沉積工藝（FDM）

熔融沉積工藝是擠壓型3D 打印技術(shù)，其原理是通過將某些材料，如塑料，樹脂，尼龍等進行加熱，噴嘴噴出融化的材料并按照圖紙進行移動堆疊，當材料冷卻之后形成了設計圖紙的產(chǎn)品構(gòu)造。這種工藝的特點是成本低廉，劣勢是產(chǎn)品精細程度不足，較為粗糙。

（二）液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）

液態(tài)光敏是當前中高端產(chǎn)品生產(chǎn)應用較多的一種3D 打印技術(shù)，也是光聚合型打印技術(shù)的一個分支，該工藝的原理是通過激光融合光聚合物，比如環(huán)氧樹脂等材料形成設計圖紙中的產(chǎn)品形態(tài)。SLA 業(yè)態(tài)光敏樹脂的生產(chǎn)工藝的主要特點是對于尺寸誤差精度高，能夠加工結(jié)構(gòu)特別復雜或者體積比較小的產(chǎn)品，甚至還能夠加工超小的微粒。

（三）粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）

粉末材料燒結(jié)工藝和上面提高的SLA 的工藝較為相似，名稱是SLS(Selective laser sintering),在3D打印的范疇中屬于顆粒型的3D 打印模式，不同于其他的材料，SLS 主要使用塑料和金屬粉末以及陶瓷粉末進行打印，該打印方式的特點是速度快，精度高，對于不同產(chǎn)品的材質(zhì)適應性廣泛，在工業(yè)中的應用范圍非常大。

三、3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設計中的運用思路

（一）3D 打印技術(shù)在樣品模型中的運用

1.樣品模型的快速成型

一個企業(yè)研發(fā)一款產(chǎn)品的主要流程為，首先按照設計構(gòu)想進行市場調(diào)查，得到市場調(diào)查的反饋之后，對產(chǎn)品設計進行完善，制作出反映產(chǎn)品特點的效果圖。然后根據(jù)效果圖進行手板設計制造，以此來驗證產(chǎn)品的可行性并進行優(yōu)化。然而，手板制作有兩個缺點，就是制作周期長，另外具備較大的誤差，精度不足。

3D 打印技術(shù)相比較傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計生產(chǎn)流程而言，最大的優(yōu)勢就是能夠在最短時間里得到立體模型，設計師能夠通過立體模型對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行各種角度快速驗證，并以此來進行產(chǎn)品的完善和優(yōu)化。而傳統(tǒng)手板需要耗費較長的時間，大大提高了產(chǎn)品研發(fā)效率。3D立體模型相比較傳統(tǒng)手板的精度也得到了大大的提高，特別適用于對精度要求較高的產(chǎn)品。

2.過濾性與驗證性的創(chuàng)新過程

在產(chǎn)品設計領域，任何一款產(chǎn)品都是在經(jīng)過反復的測試和修改中，才逐漸決定最終版本的。而在傳統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)設計調(diào)整流程中主要依賴手板的模型制作，然而手板模型的制造修改往往要投入大量的人力物力以及時間。3D 打印改寫了這種漫長的產(chǎn)品生產(chǎn)流程，特別是在當今產(chǎn)品飛速更新?lián)Q代的時代，3D 打印能夠在短時間內(nèi)，迅速靈活的調(diào)整產(chǎn)品設計思路，這是企業(yè)抓住瞬息萬變市場的法寶。

一個產(chǎn)品從概念到實際產(chǎn)品，到消費者使用反饋進行調(diào)整，甚至到最后的產(chǎn)品回收，往往不是一個正向的非常穩(wěn)定的狀態(tài)。很多情況下，會靜止在某個環(huán)節(jié)，需要通過進行逆向的驗證來調(diào)整產(chǎn)品方向。以往要做到這一點并不容易，然而，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了驗證性在產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)中的可能性。

通常在產(chǎn)品開發(fā)的過程中主要通常有兩個階段，一個階段是產(chǎn)品的視覺外觀部分，主要反映在產(chǎn)品的外觀造型，色彩，材質(zhì)，觸感等等，第二個階段是產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，即讓通過零件等連接部件讓產(chǎn)品能夠正常運轉(zhuǎn)。雖然傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計也能夠通過計算機展示產(chǎn)品的相關技術(shù)參數(shù)，但是，仍然無法與3D 打印直接拿出成品進行測試得來的試驗結(jié)果有效，而且3D 打印出來的成品能夠看到外觀造型，以及各個組件之間實際的關聯(lián)度是否符合設計要求。

3.釋放想象的空間

在一件產(chǎn)品的設計研發(fā)過程中，設計師的主要工作是實現(xiàn)產(chǎn)品需求的制作方案，包含效果圖以及模型的制作，在沒有3D 打印時代，依靠手板模型來實現(xiàn)以上工作，而傳統(tǒng)手板智能在手工或者半自動化模式下制作，耗時費力。當3D 時代開啟，依據(jù)設計圖能夠快速的生成產(chǎn)品模型，至此，設計師能夠把全部的精力放在對產(chǎn)品的精心打磨的過程中。當前的3D 打印機能夠識別多種格式的圖紙，而應用最多的是stl 格式，該格式所以靠的模型是由三角形單位組成的，三角形的棉結(jié)最小，因此堆疊形成的精度比較高。這使得對精密度要求較高的零件產(chǎn)品，也能夠通過3D打印進進行生產(chǎn)。特別是在比較特殊的角度，例如曲面和紋理的實現(xiàn)過程中，手工耗時費力，效果一般，但是具備高精度打印的3D 打印技術(shù)，則能夠很好地實現(xiàn)設計師的想法，讓設計師將想象力結(jié)合現(xiàn)實需求，實現(xiàn)高端產(chǎn)品的設計。

（二）3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中的運用

3D打印的原理是通過將材料進行堆疊形成圖紙的構(gòu)造，因此，也稱之為增量制造。這種制造方法省去了傳統(tǒng)制造工藝中的切，削，車等去除多余材料的制造方法。這種增加的方式很好地解決了生產(chǎn)材料浪費的弊端。傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造過程需要通過對不同材質(zhì)的產(chǎn)品部件，進行各種工藝實現(xiàn)連接和或者功能，而3D 打印技術(shù)直接去掉了模具的開發(fā)制造部分，依據(jù)三維模型設計圖紙進行增量打印，節(jié)省了大量的材料。

（三）3D 打印技術(shù)在零部件維護中的運用

傳統(tǒng)的產(chǎn)品經(jīng)過前期設計制造過程后，實現(xiàn)批量生產(chǎn)之后，要依據(jù)消費者使用情況，準備很多的產(chǎn)品零部件，但因為市場的千變?nèi)f化，導致模具生產(chǎn)出來了，產(chǎn)品周期卻結(jié)束了。而3D 打印的靈活性恰好解決了這個問題，只要保留產(chǎn)品及零配件的圖紙，就能快速生產(chǎn)任何需要的零部件，這不但節(jié)省了制造成本，而且解決了庫存問題。

四、結(jié)束語

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了產(chǎn)品研發(fā)制造等多方面的弊端，顛覆性的改變了生產(chǎn)制造行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)流程，在設計階段，3D 打印結(jié)束了傳統(tǒng)手板模具制造中的高投入，耗時長，且不靈活的設計方式，解放了設計師對手板的依賴，能夠把全部精力投入到產(chǎn)品設計過程中，在產(chǎn)品的后期階段，消除了庫存和模具的依賴，大大節(jié)省了企業(yè)成本。