基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑研究

張潔

摘要：3D打印技術(shù)具有速度快、精度高、造價(jià)低的特點(diǎn)，可用來實(shí)現(xiàn)用戶定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的后期加工環(huán)節(jié)，從而滿足用戶的個(gè)性化需求。3D打印技術(shù)采用了配置設(shè)計(jì)與調(diào)整設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)針對(duì)個(gè)性需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。因此，基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品功能與產(chǎn)品外觀上實(shí)現(xiàn)了定制化創(chuàng)新。本文從不同環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容、環(huán)節(jié)之間的銜接以及具體實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行論述，給出了基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；個(gè)性化需求；用戶定制設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的發(fā)展，批量模具化產(chǎn)品充滿市場(chǎng)。批量產(chǎn)品的單調(diào)與同質(zhì)化滿足不了消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的個(gè)性化需求。如今，多元、個(gè)性定制產(chǎn)品需求日漸興起。企業(yè)為了在日益緊張的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中確保生存與發(fā)展，滿足市場(chǎng)的多變需求，急需運(yùn)用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，為消費(fèi)者提供定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)服務(wù)。

3D打印技術(shù)屬于快速成形技術(shù)，過去常用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的模型制作階段，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。它運(yùn)用三維數(shù)字模型文件，將粉末金屬或塑料原料等可粘合材料通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體三維模型，又稱為“增材制造技術(shù)”。3D打印技術(shù)是單件小批量的生產(chǎn)技術(shù)，企業(yè)可以通過3D打印技術(shù)完成用戶定制化產(chǎn)品設(shè)計(jì)后的加工制造環(huán)節(jié)，從而滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求。同時(shí)，3D打印技術(shù)可以在一定程度上減少生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品交貨時(shí)間，且不論用戶定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有多復(fù)雜，采用該制造技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)快速成型的工作效率，不會(huì)出現(xiàn)額外的成本。本文針對(duì)基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑展開相關(guān)的研究，從各個(gè)環(huán)節(jié)之間的銜接、工作內(nèi)容以及具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法多個(gè)方面進(jìn)行論述，對(duì)這一領(lǐng)域的研究具有積極意義。

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展

3D打印技術(shù)是數(shù)字化科技時(shí)代發(fā)展的重要產(chǎn)物之一，能夠體現(xiàn)出現(xiàn)如今社會(huì)信息與產(chǎn)品共同分享的全新發(fā)展趨勢(shì)，且在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中被廣泛的使用。這種制造技術(shù)在一定程度上體現(xiàn)了人們的消費(fèi)需求由數(shù)字化社會(huì)的發(fā)展影響而出現(xiàn)的巨大的轉(zhuǎn)變，同時(shí)也使得產(chǎn)品在外觀與功能設(shè)計(jì)上獲得了更為多元化的發(fā)展空間。

1.1技術(shù)發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，原理等同于微積分原理，技術(shù)上利用光固化技術(shù)和層疊鋪設(shè)材料實(shí)現(xiàn)快速制造出實(shí)體物體。打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化二維切片，通過電腦控制打印材料一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

1986年，美國East Anglia大學(xué)的Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。1993年，麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利。1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)并開始研發(fā)3D打印機(jī)。2005年，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum 2510研制成功。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問世。2011年7月，英國研究人員將這一技術(shù)與食品技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家將這一技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。2013年，3D打印技術(shù)應(yīng)用于藝術(shù)品制作。接著在2013年11月，美國德克薩斯州的3D打印公司“固體概念”（Solid Concepts）設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬手槍，這一消息轟動(dòng)全球，3D打印獲得前所未有的關(guān)注。

盡管歐美地區(qū)具備一定的發(fā)展先機(jī)，但并沒有大規(guī)模的推廣與應(yīng)用3D打印技術(shù)。而在國內(nèi)，《中國3D打印的未來》作者、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長(zhǎng)羅軍認(rèn)為，中國從20世紀(jì)90年代初開始涉足3D打印技術(shù)，并取得了巨大進(jìn)展，但與國外同行相比仍存在一定差距。中國3D打印企業(yè)“小而散”、各自為政，需要發(fā)揮整合優(yōu)勢(shì)、抱團(tuán)發(fā)展。2012年10月15日，他聯(lián)合多家科研單位和企業(yè)成立了中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，這是世界上首個(gè)3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也是中國3D打印與世界3D打印同行交流的平臺(tái)。2015年8月23日，中共中央政治局常委、國務(wù)院總理李克強(qiáng)主持國務(wù)院專題講座，從政策上要求加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印技術(shù)。在市場(chǎng)環(huán)境上，3D打印技術(shù)的推廣與應(yīng)用得到了企業(yè)、設(shè)計(jì)師、用戶的一致認(rèn)可，尤其廣泛應(yīng)用在小批量、個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)上。目前該技術(shù)仍存在打印材料、應(yīng)用領(lǐng)域拓展、道德與倫理等大量亟待研究與探索的問題。

1.2在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的過程中，通常情況下是先繪制設(shè)計(jì)草圖，之后按照設(shè)計(jì)草圖來進(jìn)行數(shù)字模型創(chuàng)建，接著手工制作出產(chǎn)品的實(shí)物模型，用模型來驗(yàn)證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，或制作產(chǎn)品原型來檢驗(yàn)質(zhì)量與性能。若一路綠燈，則設(shè)計(jì)模具，進(jìn)行批量生產(chǎn)。這一過程不僅要求大量的資源支持，更消耗大量勞動(dòng)力。3D打印技術(shù)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)后的制作過程，通過快速成型來獲得產(chǎn)品原型，或針對(duì)特定材質(zhì)直接制造生產(chǎn)，縮短進(jìn)程。不需要復(fù)雜的組裝，更不需要設(shè)計(jì)制造模具，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)一體化成型，大幅減少制造成本。此外，3D打印出來的產(chǎn)品還能快速響應(yīng)用戶需求的變化，及時(shí)應(yīng)對(duì)調(diào)整的設(shè)計(jì)方案。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于用戶定制化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需注重產(chǎn)品成型精度的材料選擇，產(chǎn)品形態(tài)上不受局限，這就給設(shè)計(jì)人員提供了非常自由的設(shè)計(jì)空間，可以在極大程度上滿足用戶需求。設(shè)計(jì)市場(chǎng)發(fā)展需求越來越多元化，由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)人員或者是領(lǐng)導(dǎo)者作為主導(dǎo)的“自上而下”的設(shè)計(jì)制造模式轉(zhuǎn)變成用戶可以直接參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中的“共同創(chuàng)造”，而這又反過來促成3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展。

2用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化需求

2.1個(gè)性化需求市場(chǎng)分析

用戶消費(fèi)需求的變化體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)個(gè)性化的日益注重。個(gè)性化產(chǎn)品市場(chǎng)涉及多個(gè)領(lǐng)域，如電商市場(chǎng)、定制化設(shè)計(jì)服務(wù)市場(chǎng)以商社服務(wù)市場(chǎng)。依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行快速響應(yīng)、快速加工成為現(xiàn)實(shí)和發(fā)展趨勢(shì)。

為用戶提供“一對(duì)一”設(shè)計(jì)服務(wù)，反映出人們?cè)谙M(fèi)上更偏向于精神性消費(fèi)，同樣也標(biāo)志著消費(fèi)者的現(xiàn)代化生活態(tài)度與方式。

2.2用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

2.2.1定制產(chǎn)品調(diào)整設(shè)計(jì)法

該設(shè)計(jì)方法的重點(diǎn)在于結(jié)合用戶個(gè)性化需求，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)元素的具體參數(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新與調(diào)整。由于產(chǎn)品功能往往在用戶提需求時(shí)就固定下來，因此該調(diào)整主要集中在產(chǎn)品造型上。對(duì)于定制產(chǎn)品，往往用戶要求產(chǎn)品形式不同于以往相同功能產(chǎn)品，造型多變或易變，或造型用傳統(tǒng)模具生產(chǎn)成本高、而需求量小，根據(jù)用戶的實(shí)際要求從形態(tài)、色彩等元素上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.2.2定制產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)法

配置設(shè)計(jì)法原是應(yīng)用在大規(guī)模定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方法，通過建立產(chǎn)品配置模板與規(guī)則，對(duì)客戶需求進(jìn)行分解，從已有的產(chǎn)品模塊與設(shè)計(jì)實(shí)例中獲得滿足需求的設(shè)計(jì)物料清單。而對(duì)個(gè)性化定制產(chǎn)品，尤其是單件小批量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用戶需求往往不同于以往產(chǎn)品，或用戶對(duì)形態(tài)等要素有多種需求，原先的大規(guī)模配置設(shè)計(jì)法不適用。這時(shí)，結(jié)合上述調(diào)整設(shè)計(jì)法由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)用戶需求單件制定產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范，明確用戶定制產(chǎn)品的相關(guān)元素模塊，在產(chǎn)品元素的各個(gè)模塊上進(jìn)行配置。由此可知，用戶定制產(chǎn)品的配置設(shè)計(jì)規(guī)則是互相影響的，其主旨是為了滿足用戶的個(gè)性化需求。

實(shí)際上，用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)體現(xiàn)在產(chǎn)品的功能與外觀的創(chuàng)新上，但并不代表是純粹的外觀改變，從整體來說應(yīng)當(dāng)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)與元素上進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)整，具有顯著的綜合性。而為了提升用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率，并減少制作成本，也應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品的各個(gè)組成元素上實(shí)現(xiàn)模塊化。

2.3基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑

在用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑中，用戶作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的提出者，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)作為設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)者，而利用3D打印技術(shù)，將設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)一體化，并利用3D打印技術(shù)不斷檢驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)需求的反饋情況，不斷迭代。路徑如圖1所示：

3結(jié)論

3D打印技術(shù)的發(fā)展允許設(shè)計(jì)人員把創(chuàng)意設(shè)計(jì)快速制作成實(shí)體產(chǎn)品，在定制化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，允許產(chǎn)品的外觀與功能實(shí)現(xiàn)合理的配置與調(diào)整，可以滿足用戶個(gè)人需求及產(chǎn)品偏好從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。用戶在定制化設(shè)計(jì)與制作的過程中體驗(yàn)到愉悅感，提升心理體驗(yàn)。

本文首先介紹3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，即簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)，同時(shí)滿足了單件、小批量的產(chǎn)品的快速制造需求；其次，分析用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化需求及方法。最終給出基于3D打印技術(shù)的用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑。