運(yùn)用3D打印技術(shù)下的交通工具設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)研究

王宇　張雷

摘要：筆者基于傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)制造方式和3D打印技術(shù)的新舊生產(chǎn)方式對(duì)比，立足于3D打印技術(shù)特性在汽車(chē)設(shè)計(jì)各個(gè)流程中的機(jī)會(huì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的個(gè)性化、輕量化的交通工具，同時(shí)通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)方案和汽車(chē)在職設(shè)計(jì)師、專(zhuān)家的共同探索，發(fā)掘了3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)量產(chǎn)設(shè)計(jì)中的意義。同時(shí)通過(guò)外飾內(nèi)飾和colortrim的三方面設(shè)計(jì)嘗試。更多的探索了3D打印在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。挖掘3D打印在現(xiàn)實(shí)汽車(chē)設(shè)計(jì)中的參考價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打??；輕量化；汽車(chē)研發(fā)流程；個(gè)性化汽車(chē)造型設(shè)計(jì)

汽車(chē)作為人們出行的代步工具從誕生的一百年到現(xiàn)在，解決了人們快速?gòu)腁到B的出行問(wèn)題。而如今傳統(tǒng)的大生產(chǎn)和機(jī)械化加工的背后是更多的能源消耗和資源浪費(fèi)，現(xiàn)有的內(nèi)燃汽車(chē)也給人類(lèi)的生存環(huán)境帶來(lái)了巨大的污染，因此，輕量化汽車(chē)將是未來(lái)的一大發(fā)展趨勢(shì)。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展；傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程以及固化的設(shè)計(jì)方法正發(fā)生著日新月異的改變，3D打印技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于生產(chǎn)制造帶來(lái)了巨大的變革。3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、食物、醫(yī)療等領(lǐng)域都產(chǎn)生了不凡的影響，在交通工具的設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)中，3D打印又能給交通工具、汽車(chē)造型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)流程上帶來(lái)怎樣的創(chuàng)新？

1.3D打印技術(shù)的概念及相關(guān)介紹

筆者通過(guò)相關(guān)閱讀，對(duì)于3D打印給出如下解釋?zhuān)?D打印的學(xué)術(shù)名稱(chēng)叫做“增材制造”，“增材”是指3D打印通過(guò)原材料的沉淀、黏合的方式將原材料逐層構(gòu)成三維實(shí)體的打印方式，“制造”是指3D打印通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性的制造材料層。筆者將3D打印成型分類(lèi)為以下3類(lèi)：擠出成型、固化成型和粉末成型（圖1）。

3D打印目前的應(yīng)用范圍基本以車(chē)身的部分產(chǎn)品及體量較小的產(chǎn)品、裝飾件為主，同時(shí)還有部分工程上的異形件和容器類(lèi)結(jié)構(gòu)件。由上圖可以看出，3D打印的應(yīng)用范圍多為零件、零部件，體積和相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)的整體解決方案目前限于技術(shù)問(wèn)題還有待解決。

從上圖表中（圖4）。我們能夠看到3D打印的發(fā)展簡(jiǎn)史，作者在整理中發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)在上世紀(jì)80年代誕生后直到近年來(lái)才真正進(jìn)入到商業(yè)應(yīng)用中，也只是剛剛起步的階段。值得注意的是增材減材復(fù)合型3D打印機(jī)的誕生。極大的提高了打印速度，比激光束3D金屬打印速度快了20倍。通過(guò)紅色標(biāo)注的重點(diǎn)技術(shù)突破來(lái)看，3D打印技術(shù)正朝著打印面積越來(lái)越大，精度越來(lái)越高，打印速度越來(lái)越快的方向發(fā)展，所以在未來(lái)3D打印技術(shù)將會(huì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備越來(lái)越大、精度越來(lái)越高、速度越來(lái)越快、打印材料越來(lái)越豐富。

筆者通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)閱讀和資料收集將3D打印的優(yōu)點(diǎn)歸納為如下幾點(diǎn)：成本優(yōu)勢(shì)、一體化打印，無(wú)裝配、按需生產(chǎn)、造型優(yōu)勢(shì)、數(shù)字化制造，平臺(tái)化生產(chǎn)、開(kāi)放式輸入、開(kāi)源制造、環(huán)保節(jié)能、復(fù)制的精確度高、輕量化制造。

其缺點(diǎn)為：第一，3D打印無(wú)法完成大批量規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)；第二?，F(xiàn)有3D打印的缺點(diǎn)還在于打印速度的有待提高；第三，相關(guān)法律文獻(xiàn)和法律制度還不完善；第四，產(chǎn)品精度不夠高，量產(chǎn)應(yīng)用還缺少相應(yīng)的探索和推廣。

2.未來(lái)趨勢(shì)

每當(dāng)新的通信技術(shù)和新的能源系統(tǒng)結(jié)合的時(shí)候都會(huì)發(fā)生重要的經(jīng)濟(jì)革命。如今，以互聯(lián)網(wǎng)為首的第六次通信科技革命和可再生能源的結(jié)合，為第三次工業(yè)革命的開(kāi)展創(chuàng)造了極大的條件。本文認(rèn)為在數(shù)字化和智能化制造的發(fā)展趨勢(shì)下，3D打印技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢(shì)為汽車(chē)的加速變革帶來(lái)了新的研發(fā)、生產(chǎn)方式。

在通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的影響下，以消費(fèi)者為主導(dǎo)的市場(chǎng)和以往相比也出現(xiàn)以下特點(diǎn)：消費(fèi)者主動(dòng)性增強(qiáng)、個(gè)性消費(fèi)歸來(lái)。通過(guò)馬斯洛生理需求理論，我們得出現(xiàn)代消費(fèi)者更注重個(gè)性實(shí)現(xiàn)，情感滿(mǎn)足，心理滿(mǎn)足等一些高層次的需求；同時(shí)，作為產(chǎn)品而言越底層的產(chǎn)品越是剛需，也越是工具化，越接近高層的需求越具有自主性和個(gè)性。在新一代的族群中，80/90后在經(jīng)歷的生活環(huán)境和個(gè)人認(rèn)同價(jià)值中。伴隨互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，家庭物質(zhì)基礎(chǔ)的逐漸變好，他們更注重更高層次的需求，消費(fèi)是為了滿(mǎn)足自己內(nèi)心的需求，滿(mǎn)足自己的個(gè)性和喜好。因此80/90后將是個(gè)性化消費(fèi)的主流群體。

輕量化趨勢(shì)，相關(guān)研究指出。如下圖，整車(chē)質(zhì)量下降10%油耗就可以下降6%-8%同時(shí)輕量化每100千克將節(jié)省0.3-0.6升百公里的油耗，同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性將提高3.8%，碳排放減少4.5%。這對(duì)于環(huán)境污染來(lái)說(shuō)是非常好的幫助方式和可持續(xù)發(fā)展模式，輕量化將保護(hù)環(huán)境和降低能源消耗率（圖5）。

汽車(chē)造型是作為廠商研發(fā)設(shè)計(jì)中非常重要的部分，不僅要適應(yīng)當(dāng)?shù)赜脩?hù)的需求、審美趨勢(shì)也要適應(yīng)當(dāng)下時(shí)代的趨勢(shì)。汽車(chē)是集技術(shù)、時(shí)代、生產(chǎn)、需求的產(chǎn)品。在汽車(chē)技術(shù)發(fā)展中，造型的演變是最具有特色、時(shí)代感和感官價(jià)值的。我們也能看到汽車(chē)作為技術(shù)為向?qū)У漠a(chǎn)物。3D打印技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必影響到汽車(chē)的型制變化。筆者通過(guò)相關(guān)實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和日產(chǎn)設(shè)計(jì)中心的設(shè)計(jì)流程總結(jié)，將現(xiàn)有汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)流程得出：目前汽車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)流程是一個(gè)非常耗費(fèi)時(shí)間和物力、人力的過(guò)程，目前汽車(chē)量產(chǎn)的設(shè)計(jì)研發(fā)周期為36-48個(gè)月。設(shè)計(jì)研發(fā)周期的縮短將是汽車(chē)研發(fā)和各大汽車(chē)廠關(guān)注的一大趨勢(shì)。但仍有以下幾大缺點(diǎn)：數(shù)字軟件限制；時(shí)間周期長(zhǎng)、方案匹配度低；設(shè)計(jì)方案的可調(diào)性較差；設(shè)計(jì)方案匱乏。

3.3D打印技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用

骨架式——EDGA Genesis概念車(chē)通過(guò)3D打印的熔融沉淀成型工藝來(lái)制造的概念車(chē)Genesis。概念車(chē)分成兩個(gè)大的部分，骨架和外殼，通過(guò)合適的設(shè)備，未來(lái)汽車(chē)的制造將會(huì)生產(chǎn)出大尺寸、結(jié)構(gòu)完整的大型部件，更易于裝配。輕量化、部件化——Local Motors Strati和EDGA Light Cocoon。Local Motors只需要47個(gè)，而正常的汽車(chē)零件為20000個(gè)。產(chǎn)品的定位是通過(guò)微型智能TF來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性的需求，快速的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自己的概念。而EDGA的外殼應(yīng)用了織物新材料。大面積的代替了傳統(tǒng)的金屬材料。實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、完全無(wú)廢料的生產(chǎn)模式。表皮造型設(shè)計(jì)——可以應(yīng)用3D打印技術(shù)結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，這樣的造型形態(tài)也體現(xiàn)了3D打印的優(yōu)勢(shì)，能制造加工異形形態(tài)。

在制造方式中，3D打印和傳統(tǒng)銑削模具生產(chǎn)方式的區(qū)別為：銑削加工受制于負(fù)形形態(tài)和異形形態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)和加工成本很高。拔模角度的受限和分模具制造帶來(lái)的成本增加。

總體而言，3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)減材制造的生產(chǎn)方式的優(yōu)勢(shì)：第一，傳統(tǒng)成產(chǎn)流程工藝繁冗，3D打印制造過(guò)程更為簡(jiǎn)潔，單品流程和消耗時(shí)間少；第二，3D打印相對(duì)應(yīng)在制造單個(gè)產(chǎn)品上個(gè)性化程度高；第三，3D打印的數(shù)字化程度高；第四，3D打印能制造造型復(fù)雜的異形件和裝配好的一體化部件；第五，3D打印可持續(xù)性高，環(huán)境污染小。3D對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)整合的意義有：1.符合客戶(hù)個(gè)性化需求的趨勢(shì)，汽車(chē)消費(fèi)中的未來(lái)趨勢(shì)也是走向個(gè)性化和定制化的未來(lái)，3D打印技術(shù)的生產(chǎn)特點(diǎn)有利于個(gè)性化和定制化。2.輕量化汽車(chē)更易于實(shí)現(xiàn)，3D打印可以通過(guò)仿生類(lèi)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重量和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)通過(guò)材料的選擇能夠直接的做到汽車(chē)的輕量化要求。3.造型設(shè)計(jì)更加多樣化。汽車(chē)設(shè)計(jì)中造型的限制條件由于功能和生產(chǎn)成本、制造工藝等因素限制很大。造型設(shè)計(jì)通過(guò)3D技術(shù)的到來(lái)也開(kāi)啟了新篇章，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)趨勢(shì)中，已經(jīng)有汽車(chē)廠商通過(guò)參數(shù)化和3D打印結(jié)合的方式來(lái)表現(xiàn)新的設(shè)計(jì)語(yǔ)言和概念。3D打印技術(shù)能夠很方便、快速的生產(chǎn)異形件和復(fù)雜件。4.汽車(chē)設(shè)計(jì)的部件化，3D打印技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)就是可以零組裝的一體化生產(chǎn)。這樣原有在汽車(chē)中很多的零件可以部件化、模塊化。5.設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化，3D打印技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中可以極大的節(jié)省用時(shí)，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)軟件更多，使用的方式更簡(jiǎn)單。6.異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制作，3D打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件生產(chǎn)很輕松。

3.1Corlor trim方向的設(shè)計(jì)探索

通過(guò)和日產(chǎn)中國(guó)設(shè)計(jì)中心的色彩面料設(shè)計(jì)師的討論和設(shè)計(jì)；我們將歐洲審美取向和亞洲審美取向做了一個(gè)分析對(duì)比。對(duì)于中國(guó)的審美來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)感的認(rèn)知更偏向于流線(xiàn)型和動(dòng)感的線(xiàn)性視覺(jué)感受，而不同于歐洲機(jī)械方正的能力型的動(dòng)力感。裝飾性的視覺(jué)感官?gòu)?D平面的裝飾、碳纖紋理正轉(zhuǎn)向3D有立體感的造型裝飾。結(jié)合上述趨勢(shì)和觀點(diǎn)。進(jìn)行了3D打印技術(shù)對(duì)于COLOR TRIM的探討（圖6、圖7）。

通過(guò)paneling tools的建模方式，能夠快速實(shí)現(xiàn)表皮3D肌理的設(shè)計(jì)，同時(shí)配合選取之前設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵詞，Precision/Provocation/Flowing straggly/Dynamic sporty作為設(shè)計(jì)肌理的關(guān)鍵詞。

COLOR TRIM可行性相對(duì)較高，在內(nèi)飾設(shè)計(jì)中比較容易實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和現(xiàn)實(shí)度，這也是車(chē)廠之間的一大趨勢(shì)，在做此方案可行性分析時(shí)，2015年的日內(nèi)瓦車(chē)展中BUICK的概念內(nèi)飾中也同樣通過(guò)內(nèi)飾COLOR TRIM的3D化來(lái)實(shí)現(xiàn)概念展示。同時(shí)個(gè)性化和相關(guān)肌理造型通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)度很高，這也將是未來(lái)汽車(chē)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的一大趨勢(shì)。

3.2內(nèi)飾方向的設(shè)計(jì)探索

通過(guò)仿生骨架的設(shè)計(jì)，作為汽車(chē)的主題，將內(nèi)飾以3D打印的方式層層疊加，用戶(hù)可以通過(guò)自己的個(gè)性去選擇內(nèi)飾的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，骨架的仿生方式可以使用性材料和新技術(shù)達(dá)到整體內(nèi)飾的輕量化。通過(guò)鏤空和結(jié)構(gòu)化減輕整體重量實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)在骨架打印的基礎(chǔ)上通過(guò)軟質(zhì)材質(zhì)的包裹形成內(nèi)飾中與人接觸的部分（圖8）。

3.3設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)總結(jié)

結(jié)合上述兩個(gè)方向的探究，適度性創(chuàng)新的CORLOR TRIM在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義中更大。內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的概念方案是3D打印的未來(lái)的發(fā)展方向，但只是通過(guò)了3D打印技術(shù)本身的應(yīng)用而言。對(duì)于傳統(tǒng)的制造流程和制造方式將汽車(chē)作為大批量的生產(chǎn)方式還是比較符合，3D打印技術(shù)應(yīng)該和傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合將更具有應(yīng)用價(jià)值和設(shè)計(jì)意義（圖9）。

4.設(shè)計(jì)實(shí)踐

綜合前文的分析，設(shè)計(jì)定位書(shū)如下：

目標(biāo)用戶(hù)：在一線(xiàn)城市中對(duì)于個(gè)性化需求較高的人群（80/90后）；

時(shí)間計(jì)劃：2025年（3D打印技術(shù)發(fā)展應(yīng)用在汽車(chē)制造之中）；

行駛區(qū)域：城市中的機(jī)動(dòng)車(chē)道。（城市干道每條機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度為3.5米）

方式屬性：私人交通工具。作為年輕人自己的交通工具。個(gè)性化的需求，需要彰顯人物性格、背景屬性等（圖10）。

中關(guān)村、清華科技園周?chē)蔀橹袊?guó)硅谷，聚集了大量的新生代族群在此創(chuàng)業(yè)，一線(xiàn)城市也成為中國(guó)的科技先鋒。目標(biāo)用戶(hù)是以80/90后為代表的具有極客精神的創(chuàng)業(yè)族群，通常是作為創(chuàng)業(yè)公司的CEO，他們的特點(diǎn)是追求技術(shù)環(huán)保，喜愛(ài)時(shí)尚和酷的產(chǎn)品。在他們眼里車(chē)更像是他們的大玩具和身份證明。

4.1產(chǎn)品整體布置

由于本文的探討是針對(duì)3D打印技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中應(yīng)用機(jī)會(huì)研究，通過(guò)前幾章的研究和探索，選定的由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和3D打印技術(shù)的結(jié)合，在用戶(hù)和產(chǎn)品車(chē)型定位上不再做更多的闡釋?zhuān)恍枰獫M(mǎn)足個(gè)性化需求人群的特點(diǎn)和需求即可。同時(shí)借鑒Shooting break車(chē)型的比例進(jìn)行一定的型制創(chuàng)新。最終確定本設(shè)計(jì)的最大外輪廓尺寸長(zhǎng)寬高為4907x1300x1953mm（圖11）。

4.2前期草圖發(fā)散

經(jīng)過(guò)與導(dǎo)師和企業(yè)經(jīng)理的探討之后，選擇了概念設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)入第二輪創(chuàng)意階段，package的發(fā)散（圖12、圖13）。通過(guò)package的探討和發(fā)散和導(dǎo)師討論后選擇了key sketch進(jìn)行發(fā)展（圖14）。

4.3方案深化及配件細(xì)化

在確定了key sketch的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化方案，此階段主要完成設(shè)計(jì)方案的完善和3D造型多角度思考，如下圖所示。同時(shí)也進(jìn)行油泥模型的型面關(guān)系和3D造型比例推敲，如油泥制作圖所示。同時(shí)進(jìn)行輪轂方案的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（圖15、圖16、圖17、圖18）。

4.4整體效果圖

設(shè)計(jì)整體的效果圖如下（圖19、圖20、圖21）。

5.結(jié)論

本論文基于3D打印技術(shù)的特性進(jìn)行了嘗試性的探索和可行性分析，將3D打印技術(shù)在color trim，內(nèi)飾設(shè)計(jì)，外飾設(shè)計(jì)中基于其技術(shù)特性進(jìn)行方案探索。同時(shí)受到3D打印技術(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)方法變得更加多樣化，可以利用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)Paneling tools，grasshopper等軟件的學(xué)習(xí)來(lái)完成其中的肌理和表皮的造型設(shè)計(jì)。3D打印對(duì)汽車(chē)的影響主要對(duì)一體式部件的加工，骨架式的加工，表皮造型都有影響，通過(guò)這三方面的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)分別應(yīng)用到外飾設(shè)計(jì)、內(nèi)飾設(shè)計(jì)、corlor trim設(shè)計(jì)中去。筆者在通過(guò)3D打印技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)的探索中發(fā)現(xiàn)。3D打印和傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相結(jié)合對(duì)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義和實(shí)際價(jià)值，通過(guò)這個(gè)機(jī)會(huì)點(diǎn)去尋求新的汽車(chē)設(shè)計(jì)流程、方法、和造型語(yǔ)言的創(chuàng)新。通過(guò)外飾內(nèi)飾和colortrim的三方面設(shè)計(jì)嘗試。更多的探索了3D打印在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)3D打印在現(xiàn)實(shí)汽車(chē)設(shè)計(jì)中有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。