3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)成型工藝中的互動(dòng)關(guān)系研究

■ 文 / 李廣娟

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志中提到，在某種程度上可以將3D打印技術(shù)看作第三次工業(yè)革命。隨著信息時(shí)代的來臨、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種分布式協(xié)同制造將取代當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)模式，數(shù)字化和實(shí)體產(chǎn)業(yè)間的互通會(huì)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到極強(qiáng)的促進(jìn)作用。下文對(duì)3D打印技術(shù)的分類以及打印過程進(jìn)行簡要分析。

1 3D打印技術(shù)分類以及打印過程

1.1 3D打印技術(shù)的分類

當(dāng)前市場(chǎng)中的主流3D打印技術(shù)有3DP立體平板印刷技術(shù)、SLA激光燒結(jié)技術(shù)等，但被廣泛應(yīng)用的卻是較為簡單的熔融沉積技術(shù)，也稱作FDM技術(shù)。該技術(shù)操作難度較低，硬件成本也不高。例如，市面上較為常見的reprap3D打印機(jī)便是利用FDM技術(shù)制造的，并且由于FDM技術(shù)并沒有專利方面的限制，在需要維修時(shí)很容易購買到對(duì)應(yīng)的配件進(jìn)行組裝，這也是FDM技術(shù)應(yīng)用廣泛的核心原因。

利用3D打印技術(shù)所制造產(chǎn)品的質(zhì)量基本上都是由打印機(jī)自身的質(zhì)量決定的，如打印機(jī)自身的垂直度、對(duì)稱性等參數(shù)指標(biāo)。在3D打印機(jī)技術(shù)水平和打印出來的產(chǎn)品質(zhì)量相差不大時(shí)，人們更偏向于選擇FDM技術(shù)以及激光加工成型技術(shù)。

正是因?yàn)镕DM技術(shù)無專利限制、硬件成本也不高，所以其制作精度較低，無法制作結(jié)構(gòu)要求較強(qiáng)的產(chǎn)品，這便意味著FDM技術(shù)是為中低端產(chǎn)品制造而服務(wù)的，在加工ABS工程塑料等較為廉價(jià)的材料中應(yīng)用較為廣泛。這雖然是其廣泛應(yīng)用的核心原因，但也是制約FDM技術(shù)發(fā)展的主要原因。

激光燒結(jié)技術(shù)具有制作精度高的特點(diǎn)，可以打印一些結(jié)構(gòu)要求較高的產(chǎn)品，對(duì)一些需要生產(chǎn)較復(fù)雜零部件的企業(yè)以及需要加工特殊材料的企業(yè)有較大幫助。正是因?yàn)樵摷夹g(shù)具有制作精度較高的特點(diǎn)，其相關(guān)設(shè)備成本較高，并且應(yīng)用方向多為精密零部件制造。

從制造精度的角度來看，光固化技術(shù)處于FDM技術(shù)和激光燒結(jié)技術(shù)之間。這種設(shè)備的使用成本介于FDM技術(shù)與激光燒結(jié)技術(shù)之間，其利用的材料帶有毒性，所以應(yīng)用并不廣泛。

除了上述三種3D打印技術(shù)，粉末噴頭打印技術(shù)也是極為適合商業(yè)發(fā)展的。這種技術(shù)雖然制造精度不高，但能滿足商用，并且所利用的材料十分環(huán)保，在粉末噴頭的作用下，還可以根據(jù)使用者的需求調(diào)整打印顏色。當(dāng)前市場(chǎng)中，很多企業(yè)就是利用該技術(shù)打印出卡通模型、三維人像等來吸引消費(fèi)者。

1.2 打印過程

3D打印技術(shù)的打印過程大體上分為三步：建模設(shè)計(jì)、讀取模型以及相關(guān)數(shù)據(jù)、完成打印。

在開始打印前，需要根據(jù)實(shí)際需求使用建模軟件構(gòu)建三維模型。當(dāng)前市場(chǎng)中可以適配3D打印技術(shù)的建模軟件種類較為豐富，如CAD、MAYA或EOSTATE等軟件，其中CAD是設(shè)計(jì)行業(yè)最為基礎(chǔ)的軟件。另外，由于大部分3D打印機(jī)只能識(shí)別格式為STL的文件，所以上述幾種建模軟件在構(gòu)建三維模型后還要將文件格式轉(zhuǎn)換為STL。為驗(yàn)證三維模型的精度，可以對(duì)模型表面進(jìn)行三角形切割，建模階段的模型精度和三角形切片的大小有直接關(guān)系，三角形切片面積越小，則意味著建模階段的建模精度以及分辨率越高。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多模型在創(chuàng)建階段便可以直接利用3D掃描設(shè)備對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，直接在計(jì)算機(jī)中形成高精度、高指定性的三維模型。在構(gòu)建三維模型后，就可利用3D打印機(jī)讀取三維模型，開始打印產(chǎn)品。

通常，無論使用何種3D打印技術(shù)制作的產(chǎn)品精度都能滿足民用精度需求，但FDM技術(shù)會(huì)導(dǎo)致曲面處較為粗糙，這是因?yàn)?D打印機(jī)的成型原理是沿著縱軸方向一層一層疊加，所以在各層的連接處都有可能存在間隙，導(dǎo)致產(chǎn)品的邊緣會(huì)出現(xiàn)類似鋸齒的不平整形狀，也叫做毛邊。針對(duì)此種現(xiàn)象，可以利用打磨拋光技術(shù)進(jìn)行處理。以激光燒結(jié)技術(shù)或光固化技術(shù)為主的工業(yè)級(jí)別3D打印機(jī)則可以打印出精度極高的產(chǎn)品，在LAS切片處理方面甚至可以達(dá)到1毫米千等分標(biāo)量。此精度意味著該類3D打印機(jī)可以完美處理產(chǎn)品的曲面，用肉眼或者觸覺感受不到鋸齒類形狀，可以說是毫無痕跡。當(dāng)前市場(chǎng)中，某公司的zpirint系列甚至可以直接打印玻璃圓珠。

2 3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)成型工藝中的互動(dòng)關(guān)系

2.1 擴(kuò)展設(shè)計(jì)范疇

工業(yè)設(shè)計(jì)的本質(zhì)是對(duì)生活方式、當(dāng)代文化的設(shè)計(jì)，對(duì)象可以是真實(shí)存在的物質(zhì)，也可以是抽象的事物。具體來說，工業(yè)設(shè)計(jì)的范疇是為滿足人們切實(shí)存在的需求，對(duì)產(chǎn)品、文化進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此可見，工業(yè)設(shè)計(jì)的范疇是客觀的、具體的，不但需要從客戶的需求來看，還要從企業(yè)的角度進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際造型、概念、結(jié)構(gòu)以及功能等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)擴(kuò)展了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成型工藝的設(shè)計(jì)范疇，利用3D打印技術(shù)會(huì)直接影響設(shè)計(jì)成型工藝中的設(shè)計(jì)內(nèi)容，擴(kuò)展形態(tài)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，深化設(shè)計(jì)學(xué)、工程學(xué)以及材料學(xué)。從客戶以及企業(yè)的角度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)成型工藝的宗旨是兼顧客戶、企業(yè)以及設(shè)計(jì)師三方的要求，但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中該宗旨只是一種極為理想化的構(gòu)想，在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的影響之下，設(shè)計(jì)成型工藝基本上都是以批量生產(chǎn)需求為設(shè)計(jì)理念，而不能以設(shè)計(jì)師或者客戶、企業(yè)的個(gè)人意志為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。雖然這種生產(chǎn)方式可以大幅度降低制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，但通常以大批量生產(chǎn)為主，很難滿足客戶的個(gè)性化需求。而批量化生產(chǎn)的局限恰好是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)成型工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)便是可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造。

從產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)范疇來看，設(shè)計(jì)師有時(shí)會(huì)迸發(fā)很多具有價(jià)值的靈感和創(chuàng)意，卻因制造企業(yè)批量生產(chǎn)技術(shù)無法達(dá)到預(yù)期效果而不得不放棄。這便使得設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意不能隨心所欲，也不能以客戶需求為導(dǎo)向?qū)Ξa(chǎn)品的形態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此種條件下培養(yǎng)的設(shè)計(jì)師也會(huì)逐漸被批量化生產(chǎn)技術(shù)所限制，從而喪失創(chuàng)新能力。3D打印技術(shù)在革新制造企業(yè)生產(chǎn)方式的同時(shí)也解放了從事設(shè)計(jì)成型工藝設(shè)計(jì)師的“枷鎖”，利用該技術(shù)可以有效擴(kuò)展形態(tài)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)范疇。此外，客戶還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自定義，從而最大限度地提高客戶的體驗(yàn)感。從該角度來看，運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行小批量、低成本的生產(chǎn)正在融入人們的日常生活，改變了人們的消費(fèi)方向。產(chǎn)品并不是僅僅用來欣賞的觀賞品，而是需要具有與之相匹配的功能，不論設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了怎樣的設(shè)計(jì)，其核心終歸要使其具備其原有的功能，不能盲目地為結(jié)構(gòu)、形態(tài)的美觀而放棄其使用價(jià)值。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及形態(tài)是使用價(jià)值的載體以及附屬品，而3D打印技術(shù)成型的特性是從內(nèi)至外開始打印，可以直接打印出產(chǎn)品內(nèi)部的核心細(xì)節(jié)。所以，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要從內(nèi)至外對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將其使用價(jià)值和形態(tài)、結(jié)構(gòu)的美觀有機(jī)融合，從而最大限度滿足客戶的個(gè)性化需求。

從材料使用范疇方面來看，3D打印技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料行業(yè)產(chǎn)生了直接影響。眾多企業(yè)都將重點(diǎn)放在了研發(fā)新型材料、設(shè)計(jì)不同材料之間的配比等方面，從該角度來看，3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)成型工藝中的應(yīng)用在未來不僅可以打印大眾材料，還可以打印生物材料，或者在打印芯片時(shí)直接將程序賦予其中，這使得設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)更為自由，設(shè)計(jì)范疇也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 革新設(shè)計(jì)流程、方法

在設(shè)計(jì)成型工藝的設(shè)計(jì)方法方面，傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)步驟有制定目標(biāo)、對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研、開始設(shè)計(jì)、選擇方案、實(shí)施、反饋、修改等環(huán)節(jié)。制定目標(biāo)是整個(gè)設(shè)計(jì)成型工藝中的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)師會(huì)以此為基礎(chǔ)針對(duì)市場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研，再根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供素材以及概念，再經(jīng)過開會(huì)討論確定設(shè)計(jì)方案，在實(shí)施過程中通常會(huì)利用小批量制造來獲取反饋意見，最后根據(jù)反饋意見對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改以及補(bǔ)充，在解決設(shè)計(jì)成型工藝中的所有矛盾后才能正式投入生產(chǎn)。從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程較長，研發(fā)成本較高，雖然其容錯(cuò)成本也較高，但其效率極低?；诖?，制造企業(yè)急需提高設(shè)計(jì)成型工藝的設(shè)計(jì)效率，盡可能同時(shí)開展流程中所涉及的環(huán)節(jié)，從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)成型工藝研發(fā)時(shí)間的目的。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以在設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)方案階段直接將樣品打印出來，并直接開展小批量生產(chǎn)，這便意味著直接進(jìn)入了設(shè)計(jì)流程最后的反饋、修改階段。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程相比較，3D打印技術(shù)參與其中的并行設(shè)計(jì)方法有著極大的優(yōu)勢(shì)，不但可以最大限度降低選擇方案、實(shí)施流程所耗費(fèi)的時(shí)間，還可以使得設(shè)計(jì)成型工藝的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目的最初設(shè)計(jì)階段便可以參與其中，將項(xiàng)目中可能產(chǎn)生的問題盡早解決，不但能提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)成型階段的研發(fā)效率，還能盡快將產(chǎn)品推入市場(chǎng)，從而達(dá)到提高制造企業(yè)競(jìng)爭力的目的。

在設(shè)計(jì)方法方面，3D打印技術(shù)更適合小規(guī)模的個(gè)性化制造，所以其在設(shè)計(jì)階段具有一定針對(duì)性，在短時(shí)間內(nèi)便可以確定客戶的需求，在設(shè)計(jì)初期便可以直接運(yùn)用3D打印技術(shù)將模型打印出來，讓客戶在第一時(shí)間拿到實(shí)物，并在實(shí)物的基礎(chǔ)上提出修改意見，以便設(shè)計(jì)師對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)?D打印技術(shù)打印出的產(chǎn)品是由三維模型決定的，所以在修改時(shí)，設(shè)計(jì)師需要借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)模型進(jìn)行修改，這便意味著修改效率較高，在對(duì)一些結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能要求不高的產(chǎn)品進(jìn)行修改設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以快速上手。

2.3 對(duì)設(shè)計(jì)師有更高的要求

設(shè)計(jì)成型工藝設(shè)計(jì)師在此種新型生產(chǎn)模式中所發(fā)揮的職能不僅僅是設(shè)計(jì)師，而是需要發(fā)揮出銷售、工程師、工人等多種職能。在3D打印技術(shù)下的設(shè)計(jì)成型工藝中，設(shè)計(jì)師需要具備傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中所有角色的能力，只有這樣才能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。由于設(shè)計(jì)成型工藝較為復(fù)雜，尤其是將3D打印技術(shù)運(yùn)用其中，所以設(shè)計(jì)師必須具備極為堅(jiān)實(shí)的知識(shí)儲(chǔ)備才能切實(shí)滿足客戶需求。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)師需要具備以下三種能力：

（1）擁有多元化的知識(shí)背景。當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展是非常多元化的，這便意味著生產(chǎn)并不是單一的重復(fù)作業(yè)，機(jī)械化生產(chǎn)將代替那些重復(fù)性極強(qiáng)的崗位，要求設(shè)計(jì)師具有復(fù)合型的知識(shí)以及能力。如今，產(chǎn)業(yè)自身的實(shí)用性已經(jīng)可以滿足人們的日常使用，在此基礎(chǔ)上人們對(duì)于外觀、質(zhì)感、舒適等方面都有了新的要求，所以設(shè)計(jì)具有交叉性極強(qiáng)的特點(diǎn)，并且社會(huì)各個(gè)行業(yè)之間的交融也在逐漸加深，隨著科技的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)成型工藝設(shè)計(jì)師所需要接受的知識(shí)種類也越來越多。設(shè)計(jì)是一門需要走在生產(chǎn)前列的行業(yè)，它不但要捕捉客戶的真實(shí)需求和實(shí)際想法，還要根據(jù)客戶的需求和想法創(chuàng)造出來。從該角度來看，設(shè)計(jì)師應(yīng)吸收當(dāng)前社會(huì)中的最新知識(shí)，如材料學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)或色彩學(xué)等，這些都是設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)了解的學(xué)科。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)手段逐漸偏向信息化，利用計(jì)算進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)成型工藝中的主流設(shè)計(jì)方法，所以設(shè)計(jì)師還應(yīng)熟練操作渲染軟件、平面軟件等和設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)師只有盡可能做好知識(shí)儲(chǔ)備才能順應(yīng)時(shí)代發(fā)展。

（2）要有開放式創(chuàng)意思維。在設(shè)計(jì)成型工藝中，由于3D打印技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品成型方式和生產(chǎn)模式方面有了較大的改變，幫助設(shè)計(jì)師突破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制。基于此，設(shè)計(jì)師應(yīng)突破自身的思維枷鎖，放開想象，充分利用形象思維、邏輯思維以及、收斂、發(fā)散、聯(lián)想、靈感思維等，設(shè)計(jì)出極具創(chuàng)意的產(chǎn)品。

（3）要有一定的美學(xué)素養(yǎng)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式中，由于制造技術(shù)的局限，定制產(chǎn)品的成本極高，極大限制了設(shè)計(jì)師的發(fā)揮空間。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，不但精簡了生產(chǎn)流程，還降低了生產(chǎn)成本，意味著可以有更多的人從事此項(xiàng)工作。在此種條件下，設(shè)計(jì)師要想提升自身核心競(jìng)爭力，具備一定的美學(xué)素養(yǎng)非常必要。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，以客戶需求為中心的定制設(shè)計(jì)將不斷被深化，可以預(yù)見此種模式日后會(huì)成為人們的消費(fèi)趨勢(shì)。3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)成型工藝中的應(yīng)用，不但擴(kuò)展了設(shè)計(jì)范疇，革新了設(shè)計(jì)流程、方法，還對(duì)設(shè)計(jì)師提出了新的要求。3D打印技術(shù)未來一定會(huì)發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)和影響力，為我國制造業(yè)注入新的活力。