3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)上的研究

尹光輝 陳杭 游俊 夏娟

摘 要 3D打印技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種新型的、主流的加工制造技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的制造技術(shù)能生產(chǎn)出形狀更加復(fù)雜的產(chǎn)品，而且成本低，高效率，使用簡單。三維打印主要是通過計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)建模，結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)原料打印機(jī)來促成產(chǎn)品的制造，通常在制造模具、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)范疇用來制作新產(chǎn)品的模型，現(xiàn)在逐漸用它來進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)的直接制造。本文首先結(jié)合3D打印機(jī)的原理和特征，闡述了3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的類型和應(yīng)用現(xiàn)狀。其次根據(jù)3D打印技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，對三維打印技術(shù)給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來的一系列機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了研究與分析，目的是使各大企業(yè)和工業(yè)設(shè)計(jì)師緊緊抓住3D打印所帶來的機(jī)遇，同時(shí)積極迎接挑戰(zhàn)，進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 3D打印 3D打印技術(shù) 工業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.04.023

Abstract 3D printing technology is a new type of mainstream processing and manufacturing technology in the field of industrial design. It can produce more complex products than traditional manufacture technology， and it is low cost， high efficiency and easy to use. Three-dimensional printing is mainly through the computer three-dimensional software design modeling， combined with digital electronic technology raw materials printer to promote the manufacture of products， usually in the manufacturing mold， industrial design and other related areas used to make new product model， now gradually use it to carry out new products Development of direct manufacturing. This paper first combines the principles and characteristics of 3D printers， describes the type of 3D printing in the field of industrial design and application status quo. Secondly， according to the future development trend of 3D printing technology， a series of opportunities and challenges brought by the three-dimensional printing technology to industrial design are studied and analyzed. The aim is to make the big business and industrial designers firmly grasp and opportunity to actively meet the challenges， and further promote the development of industrial design.

Keywords 3D printing； 3D printing technology； industrial design； opportunities and challenges

0 引言

21世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)快速成長的時(shí)代，三維打印就是其中的一項(xiàng)重要技術(shù)之一。[1]由于3D打印具有成本低、效率高等多方面的巨大優(yōu)勢，成為了近年來各行各業(yè)非常受歡迎的技術(shù)。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)布的《2017-2022年中國工業(yè)4.0行業(yè)研究及未來前景預(yù)測報(bào)告》顯示，今年我國三維打印的市場規(guī)?？傊祵⑦_(dá)到206億元，未來五年（2018-2022）的年均復(fù)合增加率約為47.65%，估計(jì)在2022年我國3D打印的市場規(guī)模將到達(dá)979億元。[2]隨著3D打印的成本越來越低，打印時(shí)間越來越短，打印的材料越來越多，成為了大多數(shù)消費(fèi)者的優(yōu)先選擇，已經(jīng)在教育、醫(yī)療衛(wèi)生、珠寶、建筑行業(yè)、工業(yè)制造、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

面對三維打印技術(shù)如此快速的發(fā)展，有專家表示，3D打印技術(shù)會(huì)成為未來前景十分廣闊的日出行業(yè)，并逐漸融入人們的生活當(dāng)中猶如當(dāng)年電腦的迅速發(fā)展一樣，遲早遍及每家每戶。隨著3D打印技術(shù)的逐漸成熟和流行，它的存在將大大改變傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的制造過程。工業(yè)設(shè)計(jì)是3D打印技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，本文作者從實(shí)際出發(fā)，主要研究并分析了3D打印技術(shù)給工業(yè)設(shè)計(jì)所帶來的機(jī)遇，以及如何積極地迎接挑戰(zhàn)，目的在于促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，使得更多新產(chǎn)品的制造滿足眾多用戶的需求。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印也叫快速成型技術(shù)，材料制造技術(shù)以及增量制造技術(shù)等，它是通過算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行新產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)，然后通過三維設(shè)計(jì)軟件把設(shè)計(jì)好的模型分解成好多層平面切塊，最后由數(shù)控成型系統(tǒng)將一系列可打印原料進(jìn)行逐層堆積疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)。[3]（見圖1）

（1）3D設(shè)計(jì)建模階段。企業(yè)設(shè)計(jì)部門可以利用一些三維制圖軟件（如ATUOCAD、SOLIDWORKS、UG等）來進(jìn)行產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)與制作。也可以利用一些專業(yè)3D掃描儀或是一些DIY掃描設(shè)備獲取需要打印對象的三維數(shù)據(jù)，最終以數(shù)字化的模式生成三維模型。當(dāng)然，設(shè)計(jì)者也可以直接使用其他人已經(jīng)做好的3D模型。[4]

（2）3D打印階段。首先是3D打印機(jī)對已經(jīng)用三維軟件建立好的產(chǎn)品模型的相關(guān)信息數(shù)據(jù)讀取并進(jìn)行逐層分切，分切過后進(jìn)行每一層的構(gòu)建，其次將其逐層打印出來，最后將各層以多種黏合方式黏合起來從而制造出一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)體模型。產(chǎn)品初次制造通常都是粗糙的，或是有許多的毛刺，[5]這時(shí)就需要后期的進(jìn)一步處理。經(jīng)過后處理（如拋光、去毛刺等）過后才能將其投入生產(chǎn)使用。

1.2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

（1）3D打印的出現(xiàn)導(dǎo)致了制造業(yè)的偉大革命。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造主要依靠生產(chǎn)工藝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，而3D印刷技術(shù)的出現(xiàn)將顛覆這一生產(chǎn)理念，使得工業(yè)設(shè)計(jì)不會(huì)考慮工藝可否實(shí)現(xiàn)的問題，只要求掌握計(jì)算機(jī)三維軟件建模，任何復(fù)雜形狀的產(chǎn)品都可以通過3D打印來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)現(xiàn)有的3D打印機(jī)單層的印刷精度可以達(dá)到0.01mm，分辨率可以達(dá)到600dpi，印刷速率非?？?。

（2）企業(yè)一旦使用三維打印來生產(chǎn)新產(chǎn)品，那么就會(huì)避免使用機(jī)器加工以及模具制造所帶來的一些問題。[6]可以直接從計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造一體化，因此大大的縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)時(shí)間，不但增加了生產(chǎn)率，且產(chǎn)品的成型密度會(huì)更加均勻，更加精準(zhǔn)。

（3）常用的3D打印機(jī)使得人們可以在電子產(chǎn)品商店內(nèi)就可以購買到這類打印機(jī)，操作簡單方便。也有專家表示，三維打印機(jī)的使用范圍目前還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機(jī)打印出自己想要的物品。

（4）打印材料的多樣性。目前3D打印系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對幾百種原料的打印，涉及航空航天、建筑、醫(yī)療、教育、珠寶、玩具等眾多領(lǐng)域。

2 3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維打印技術(shù)已經(jīng)在一定程度上改變了人們的生活方式以及商品的供應(yīng)和生產(chǎn)方式。如表1 所示，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、珠寶、電子消費(fèi)、家具、玩具等眾多工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

除此之外，3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用還表現(xiàn)在以下方面：

（1）工業(yè)設(shè)計(jì)所需工具的制作。工業(yè)設(shè)計(jì)是各種學(xué)科，技術(shù)和審美觀念的交叉產(chǎn)物，是一種充滿創(chuàng)造力的活動(dòng)。[7]不同的設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)不同的產(chǎn)品需要不同的器材和工具來加以輔助，而這些專用的設(shè)計(jì)工具往往都是設(shè)計(jì)師自己參與設(shè)計(jì)制作的。這些工具可以用3D打印機(jī)來完成，從而取代花費(fèi)大量去設(shè)計(jì)和制作的時(shí)間，企業(yè)也不再需要花費(fèi)更多的時(shí)間和金錢來購買和安裝，因此這樣就可以有效地改善產(chǎn)品生產(chǎn)裝配過程，更加滿足設(shè)計(jì)要求和消費(fèi)者的需求。

（2）個(gè)性化模型和功能原型的制作。眾所周知，在工業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)流程中需要各種各樣的零件、模型，然而傳統(tǒng)的模型制作方式成本高，周期長，精確性差等諸多缺點(diǎn)，而使用3D打印技術(shù)可以快速高效完成。

（3）工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。由于三維打印技術(shù)的快速發(fā)展，其印刷的成本是越來越低，打印所需的時(shí)間也越來越短，可以打印的材料也越來越豐富，打印的方式也越來越多，使之在產(chǎn)品批量生產(chǎn)上與之前的制造方式相比，有著生產(chǎn)效率高、時(shí)間短、低成本等重大優(yōu)勢。且不用受任何時(shí)間、地域的限制，在產(chǎn)品的制造生產(chǎn)中若有問題可以隨時(shí)暫停生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)計(jì)人只需對設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行簡單的修改即可，這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品可快速靈活地投入生產(chǎn)當(dāng)中去。

3 3D打印給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來的機(jī)遇

未來是智能化、大數(shù)據(jù)、云以及人工智能等高科技交融的時(shí)代，這既是工業(yè)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，更是一個(gè)巨大的機(jī)遇?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展永遠(yuǎn)是社會(huì)第一生產(chǎn)力，科技的進(jìn)步將帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)的重大變革，3D打印作為一項(xiàng)重要的技術(shù)，它的發(fā)展給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來了一系列全新的機(jī)遇。[8]

3.1 設(shè)計(jì)靈感更活躍

在傳統(tǒng)的制造過程中，由于結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的限制，許多工業(yè)設(shè)計(jì)師的靈感和創(chuàng)造力只能停留在思維上，無法將其在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。然而，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，對工業(yè)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)靈感提供了極大的便利。3D打印技術(shù)通過電解沉積材料構(gòu)成實(shí)體，不在需要使用諸如鑄造、切割、彎曲等一系列工藝。只要求設(shè)計(jì)師掌握計(jì)算機(jī)控制語言，熟練使用3D建模軟件即可，就可以將自己的想法充分表達(dá)出來，最終交由3D打印機(jī)把自己腦海中的模型在現(xiàn)實(shí)中完美的展示出來，而無需了解傳統(tǒng)的數(shù)百種的生產(chǎn)工藝要求和過程。與傳統(tǒng)的方法不同，3D打印技術(shù)是一種額外的制造方法，所以，工業(yè)設(shè)計(jì)師可以對產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加大膽的嘗試和創(chuàng)新。

例如，法國工業(yè)設(shè)計(jì)師帕特里克曾通過3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了有名的Solid T1固定桌子和Solid C2椅子，然而，這種復(fù)雜的形狀幾乎是不可能用以前傳統(tǒng)的加工方法和成形過程來完成的。除此之外，他還設(shè)計(jì)并印刷出了著名的一次性折疊椅，該椅子的所有接頭均由3D打印機(jī)制作，沒有使用任何組件的連接。[9]

3.2 個(gè)性定制更容易

傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的大規(guī)模生產(chǎn)，主要是滿足用戶多樣化的需求去適應(yīng)有限的風(fēng)格和模式，而大大忽略了用戶的差異性。伴隨著產(chǎn)品的豐富，消費(fèi)者需求變得越來越大，雖然一些企業(yè)提出了大規(guī)模定制模式生產(chǎn)以滿足用戶個(gè)性化需求的各種方式，但由于其制造模式是基于批量生產(chǎn)，并不能從根本上滿足用戶的個(gè)性需求。3D打印的出現(xiàn)，體現(xiàn)了個(gè)性化和智能化的特點(diǎn)，使得個(gè)性化的設(shè)計(jì)和制造成為可能。用戶可以使用簡單的方法和更便宜的成本來使用三維打印機(jī)開發(fā)自己的個(gè)性化產(chǎn)品。

3.3 產(chǎn)品開發(fā)周期更短

新產(chǎn)品的上市時(shí)間往往是消費(fèi)者非常關(guān)注的，同時(shí)也是企業(yè)獲得更多利潤的一個(gè)重要因素。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的時(shí)間如果越長，那么新產(chǎn)品一旦推向市場后，企業(yè)的潛在利潤就會(huì)降低。因此，普遍認(rèn)為，各企業(yè)應(yīng)加快產(chǎn)品上市的速度。然而縮短產(chǎn)品周期開發(fā)時(shí)間的唯一途徑是縮短從設(shè)計(jì)圖到產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)換時(shí)間。目前，利用同樣數(shù)量的材料生產(chǎn)商品，三維打印機(jī)的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方式的3倍，并能獨(dú)立優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。

3.4 產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)更低

現(xiàn)在制造業(yè)常常都會(huì)準(zhǔn)備大量的庫存以滿足用戶的訂單需求，可是在實(shí)際當(dāng)中，計(jì)劃往往趕不上變化。常常會(huì)出現(xiàn)庫存產(chǎn)品太多，供過于求的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致企業(yè)虧損。[10]然而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，只要你設(shè)計(jì)的模型一直保存在你的計(jì)算機(jī)上，產(chǎn)品就可以隨時(shí)通過3D打印生產(chǎn)出來，根據(jù)訂單自己把握生產(chǎn)量，想生產(chǎn)多少就生產(chǎn)多少。因此，可以實(shí)現(xiàn)零庫存，公司完全可以按照生產(chǎn)訂單及時(shí)生產(chǎn)即可。這對于新成立的公司以及企業(yè)的投資者來說，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樾庐a(chǎn)品的開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)都降低了。

4 3D打印給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)

3D打印技術(shù)給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來機(jī)遇的同時(shí)也帶來了一系列的挑戰(zhàn)，當(dāng)我們迎接機(jī)遇到來的時(shí)候，也要積極面對挑戰(zhàn)。只有積極迎接挑戰(zhàn)，我們方可穩(wěn)步前行，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，更好地迎接工業(yè)4.0時(shí)代的到來。[11]

4.1 工業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)模式的調(diào)整

如前所述，三維打印技術(shù)的出現(xiàn)將不可避免地改變傳統(tǒng)的制造方法。批量生產(chǎn)和單量生產(chǎn)的成本幾乎是一樣的，大規(guī)模的生產(chǎn)優(yōu)勢勢必會(huì)逐漸消失。未來的生產(chǎn)模式也將會(huì)從密集型轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑿汀Ｒ虼?，必須盡快改變工業(yè)設(shè)計(jì)的服務(wù)模式，以滿足新形勢的要求。所以各大制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)緊緊抓住契機(jī)，轉(zhuǎn)變工業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)服務(wù)模式，以盡快適應(yīng)當(dāng)下生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。

4.2 知識產(chǎn)權(quán)的重新界定和保護(hù)

產(chǎn)品一旦可以用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)文件來描述，就會(huì)變得更加容易被復(fù)制和模仿，而山寨產(chǎn)品也會(huì)越來越多。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得仿制者更加容易在市場上推出一模一樣的產(chǎn)品，所以這就需要進(jìn)一步研究如何保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)變得尤為重要。[12]

更為值得思考的是，如果使用3D打印機(jī)可以復(fù)制和打印任何東西，如ATM卡、鑰匙、槍支等，我們又應(yīng)如何維護(hù)未來社會(huì)的秩序。因此，與新產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)當(dāng)被重新界定和保護(hù)，相關(guān)部門應(yīng)該及時(shí)制定或更新知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)法。

4.3 專業(yè)人才的急劇短缺

3D打印技術(shù)能有如此良好的發(fā)展當(dāng)然離不開人才的支持，伴隨著3D打印時(shí)代的到來，工業(yè)設(shè)計(jì)上各方面需要的專業(yè)技術(shù)人才會(huì)越來越多。作為先進(jìn)技術(shù)，3D打印將會(huì)導(dǎo)致目前產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造模式的轉(zhuǎn)變，這必然離不開技術(shù)與行政技能強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

同時(shí)，在3D打印的過程中，依舊會(huì)涉及到許多專業(yè)的技術(shù)，比如三維設(shè)計(jì)、三維建模、以及產(chǎn)品打印完成后的后處理等等。這就需要工作人員掌握各種基本技能，例如拋光技術(shù)、燒制、切割和組裝等技能的掌握顯得尤為重要。因此，高校需要提高人才培養(yǎng)的力度，多為社會(huì)培養(yǎng)更多高素質(zhì)、專業(yè)技能高的應(yīng)用型人才。緊緊抓住學(xué)校-企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的教學(xué)模式，學(xué)校提供人才，企業(yè)提供設(shè)備以及資金，使學(xué)生掌握更高、更強(qiáng)、更專業(yè)的技術(shù)。

5 結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)將是科學(xué)技術(shù)發(fā)生巨大變革、繼續(xù)取得突破性進(jìn)展的時(shí)代，同時(shí)也是先進(jìn)制造技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的時(shí)代。3D打印技術(shù)將影響未來工業(yè)設(shè)計(jì)的幾乎每一個(gè)方面，工業(yè)設(shè)計(jì)的主要在于創(chuàng)新設(shè)計(jì)，由于引入了三維打印技術(shù)，使得該領(lǐng)域有著蓬勃發(fā)展的前景。本文通過三維打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來了良好的機(jī)會(huì)，工業(yè)設(shè)計(jì)師完全可以突破傳統(tǒng)產(chǎn)品制造過程思想的禁錮，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造理念，可以設(shè)計(jì)出更多新鮮、具有個(gè)性化的產(chǎn)品，在工業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域廣泛使用。同時(shí)設(shè)計(jì)者將更多好的創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，從多方面滿足消費(fèi)者的需求，造福人類。

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