增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用研究

摘要：主要探討了增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用及其潛在價值。通過對增材制造技術(shù)的原理、特點及在工業(yè)設(shè)計和制造中的應(yīng)用進行實例分析，闡明了這項技術(shù)對工業(yè)設(shè)計效率、產(chǎn)品性能、制造工藝及設(shè)計創(chuàng)新能力的提升作用。研究結(jié)果表明，增材制造技術(shù)為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域提供了更多可能性，有助于實現(xiàn)設(shè)計的個性化和復(fù)雜化，推動工業(yè)設(shè)計的整體進步。

關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù)工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：G71

ResearchontheApplicationofAdditiveManufacturingTechnologyinIndustrialDesign

WANGBing

ShandongUniversityofArtandDesign，Jinan，ShandongProvjWl4LLqHA9lFyedgvcWg8iH4QXtSAXE04bSFNM31LtY=ince，250399China

Abstract：Thisarticlemainlydiscussstheapplicationandpotentialvalueofadditivemanufacturing（AM）technologyinindustrialdesign.Throughananalysisoftheprinciples，characteristicsandapplicationinindustrialdesignandmanufacturing，thearticleelucidatestheroleofAMtechnologyinenhancingindustrialdesignefficiency，productperformance，manufacturingprocessanddesigninnovationcapabilities.TheresultindicatesthatAMtechnologyprovidesmorepossibilitiesforindustrialdesign，promotingpersonalizedandcomplexdesignsandtheoverallprogressofindustrialdesign.

KeyWords：AMtechnology;Industrialdesign;Innovativeapplications;Designoptimization

增材制造技術(shù)是一種通過材料堆積進行成形的制造技術(shù)，它從三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)出發(fā)，通過逐層堆積材料的方法制造三維實體。增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)不同，增材制造技術(shù)無須去除多余材料，可直接從數(shù)字模型轉(zhuǎn)換到三維實體。隨著科技的飛速發(fā)展，增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，已從早期的原型制造逐步演變到現(xiàn)已能夠直接進行批量生產(chǎn)[1]。增材制造技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。如何將該技術(shù)創(chuàng)新性地使用到工業(yè)設(shè)計中，是工業(yè)設(shè)計從業(yè)者所需把握的重要方向。

1增材制造技術(shù)的原理及特點

增材制造技術(shù)的核心理念在于“分層制造，逐層疊加”。在實際成形過程中，首先通過三維設(shè)計軟件創(chuàng)建出所需產(chǎn)品的數(shù)字模型；隨后利用特定的軟件將該數(shù)字模型進行切片，形成一系列薄層，每層文件都包含了該層的形狀等信息；然后增材制造設(shè)備（如3D打印機）根據(jù)這些文件信息逐層堆積材料，直至成形完成。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了從點到線、從線到面、再從面到體的逐步構(gòu)建過程。

增材制造技術(shù)主要包括粉末床熔融、材料擠出、光固化、定向能量沉積、黏合劑噴射和片材層壓等。粉末床熔融使用激光或電子束將粉末材料逐層熔化并凝固；材料擠出則是將加熱到熔化狀態(tài)的材料通過噴嘴擠出并堆積；光固化利用紫外線激光逐層固化液態(tài)樹脂；定向能量沉積將材料送入熔池并使用能源熔化堆積；黏合劑噴射則是通過噴射粘合劑將粉末材料逐層黏結(jié)；片材層壓則是將片材逐層切割并黏合形成物體。這些工藝各有優(yōu)缺點，適用于不同的應(yīng)用場景和材料需求?？傮w而言，增材制造技術(shù)具有以下特點[2]。

（1）設(shè)計自由度高：由于采用逐層堆積的方式，增材制造技術(shù)能夠輕松構(gòu)建出復(fù)雜形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對于實體形狀的限制。

（2）材料利用率高：增材制造過程中幾乎不會產(chǎn)生廢料，材料利用率遠高于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)。

（3）制造周期短：增材制造技術(shù)無須復(fù)雜的模具和工裝夾具，大大縮短了產(chǎn)品從設(shè)計到制造的周期，為設(shè)計從業(yè)者提供了全新的創(chuàng)意實現(xiàn)手段。

（4）個性化定制、小批量生產(chǎn)：增材制造設(shè)備通常較為緊湊，可輕松實現(xiàn)分布式制造和按需生產(chǎn)，能夠滿足個性化和定制化的市場需求，為小批量生產(chǎn)提供了便捷、高效的解決方案。

總之，增材制造技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的一項革命性技術(shù)，正在逐步改變傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計理念和工業(yè)生產(chǎn)方式。其高設(shè)計自由度和材料利用率、靈活、快速的特點使該技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中具有獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。增材制造技術(shù)也讓工業(yè)設(shè)計師能夠以前所未有的自由度進行創(chuàng)作，從而實現(xiàn)更加復(fù)雜、精細和個性化的設(shè)計，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

2增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計階段的應(yīng)用

在設(shè)計階段，增材制造技術(shù)主要被用于快速原型制作和設(shè)計驗證。傳統(tǒng)的設(shè)計驗證過程通常需要耗費大量的時間和成本來制作原型，而增材制造技術(shù)則能夠在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)以較低的成本制作出精確的原型。工業(yè)設(shè)計師可以利用增材制造技術(shù)快速打印出產(chǎn)品原型，進行裝配測試、功能驗證和用戶體驗評估，從而在設(shè)計階段就及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修改。這種快速原型制造的能力極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了設(shè)計效率。

隨著消費者對產(chǎn)品個性化和定制化的需求日益增加，增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。傳統(tǒng)制造方法往往難以實現(xiàn)小批量、個性化的生產(chǎn)，而增材制造技術(shù)則能夠根據(jù)消費者的具體需求，通過調(diào)整數(shù)字模型修改設(shè)計，從而快速、準確地制造出定制化的產(chǎn)品。例如：在珠寶、鞋履、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，設(shè)計師可以利用增材制造技術(shù)為消費者打造出獨一無二的定制化產(chǎn)品。這種定制化的生產(chǎn)方式不僅滿足了消費者的個性化需求，還為企業(yè)創(chuàng)造了新的市場機會和競爭優(yōu)勢。

3增材制造技術(shù)在制造階段的應(yīng)用

在傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計中，設(shè)計與制造通常是兩個相對獨立的環(huán)節(jié)，設(shè)計文件往往需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能在制造流程使用。然而，增材制造技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為實體產(chǎn)品，省去了中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，這不僅提高了設(shè)計效率，還降低了生產(chǎn)成本和風險。

另外，傳統(tǒng)制造技術(shù)在加工具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件時往往面臨諸多困難，如模具制作、加工精度等，所以某些具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件通常難以通過傳統(tǒng)技術(shù)制造。增材制造技術(shù)具有通過逐層堆積材料的方式制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的獨特能力，無須額外的模具和加工步驟。因此，在產(chǎn)品制造階段，增材制造技術(shù)通常被用于直接制造最終產(chǎn)品或制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。例如：在航空航天器的發(fā)動機制造中，增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道的制造，提高發(fā)動機的燃燒效率，降低燃油消耗。而采用拓撲優(yōu)化設(shè)計的增材制造結(jié)構(gòu)件，可以在保證性能的前提下，大幅度降低結(jié)構(gòu)件的重量。夢天實驗艙的項目實現(xiàn)了增材制造技術(shù)從設(shè)計到制造的全流程應(yīng)用[3]。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，從零件制造到整體結(jié)構(gòu)打印，從地面試驗到太空在軌制造，增材制造技術(shù)的邊界將不斷被拓展，為人類的太空探索事業(yè)帶來更多的可能性。

增材制造技術(shù)支持多種材料的成形，包括金屬、塑料、陶瓷等，還可實現(xiàn)多種材料的復(fù)合成形。這意味著設(shè)計師可以在同一產(chǎn)品中集成多種材料和功能，創(chuàng)造出具有獨特性能和用途的產(chǎn)品。例如：在醫(yī)療器械設(shè)計中，可以利用多材料打印技術(shù)制造出具有不同硬度、彈性模量和生物相容性的部件，以滿足醫(yī)療和患者的個性化需求。這種多材料打印與功能集成的能力，為工業(yè)設(shè)計帶來了更多的創(chuàng)新空間和可能性。姚翔翔等人[6]深入研究了增材制造技術(shù)、材料科技與傳統(tǒng)醫(yī)療護具設(shè)計的融合，創(chuàng)新設(shè)計并制作了一款兼具磁療功能與高度定制化的增材制造腰部健康護具。該設(shè)計在個性化與適應(yīng)性、藝術(shù)美感與實用功能、成本控制與制造效率之間找到了平衡，為可定制化醫(yī)療健康類產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)提供了新的啟示和方向。

此外，增材制造技術(shù)還具有材料利用率高的優(yōu)點。傳統(tǒng)的制造方法往往會產(chǎn)生大量的廢料，而增材制造技術(shù)則能夠精確控制材料的使用量，減少浪費。這不僅有利于降低制造成本，還有助于實現(xiàn)綠色、環(huán)保的制造。高暉等人[5]提出了基于增材制造的復(fù)合材料尾門設(shè)計方法。通過增材制造技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的尾門，不僅可以滿足剛度、強度等力學性能要求，還可以使其比原有結(jié)構(gòu)輕42%并有效降低了成本。該方法還可以為汽車其他零部件的輕量化設(shè)計提供借鑒。

4增材制造技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新與優(yōu)化中的應(yīng)用

增材制造技術(shù)的靈活性和可定制性為產(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計提供了有力支持，也為設(shè)計師提供了更大的創(chuàng)作自由度。傳統(tǒng)的制造技術(shù)往往受到加工工藝和成本的限制，難以實現(xiàn)一些復(fù)雜、個性化的設(shè)計。而增材制造技術(shù)則可以直接將三維數(shù)字模型制作成實體零部件或產(chǎn)品，無須復(fù)雜的加工工藝和模具，從而更加貼近設(shè)計師的想法。同時，增材制造技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計，通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、減少材料用量等方式降低產(chǎn)品重量，提高產(chǎn)品性能和環(huán)保性，還能夠?qū)崿F(xiàn)多材料、多功能的集成制造，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了更多可能性。所以，設(shè)計師可以利用增材制造技術(shù)制作出具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品原型，進行功能測試和驗證。

增材制造技術(shù)還可以實現(xiàn)“數(shù)字化制造”。設(shè)計師可以通過三維數(shù)字建模軟件設(shè)計出產(chǎn)品的數(shù)字模型，然后通過增材制造技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為實體產(chǎn)品。這種數(shù)字化的制造方式不僅可以提高制造精度，還可以大大縮短產(chǎn)品從設(shè)計到制造的時間周期。

此外，增材制造技術(shù)在造型表現(xiàn)方面的應(yīng)用還體現(xiàn)在產(chǎn)品的細節(jié)處理上。由于增材制造技術(shù)可以逐層堆積材料，因此可以在制造過程中精確控制每一層的厚度、形狀和表面粗糙度等參數(shù)，從而實現(xiàn)更加精細的產(chǎn)品造型。對于一些需要組裝的產(chǎn)品，增材制造技術(shù)也可以制造出更加精確、穩(wěn)定的零部件，提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量和性能。周秀梅[4]等人將增材制造技術(shù)引入焊接定位模板開發(fā)中，該方法開發(fā)周期短、精度高、強度好、操作簡單，極大提升了人工操作便捷性。增材制造技術(shù)的應(yīng)用將有助于在樣車試制領(lǐng)域得到更廣泛快速的應(yīng)用與推廣，進一步提升焊點位置的合理性，保證試驗車輛的合格焊接質(zhì)量，以便更好地驗證車輛的行駛安全等性能。

由于能夠精確制造復(fù)雜形狀的電池結(jié)構(gòu)，增材制造技術(shù)已成為固態(tài)電池設(shè)計制造領(lǐng)域的新技術(shù)方向。何天賢等人[5]深入探討了增材制造技術(shù)在固態(tài)電池設(shè)計和生產(chǎn)中的關(guān)鍵應(yīng)用，包括墨水直寫、熔融沉積以及選擇性激光燒結(jié)等多種技術(shù)。隨著打印技術(shù)和材料的不斷進步，預(yù)計未來將出現(xiàn)具有長期耐用性、良好安全性和高能量及功率密度的增材制造固態(tài)電池，為未來的能源儲存和利用帶來革命性的變革。

總之，增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計造型表現(xiàn)方面的應(yīng)用為設(shè)計師提供了更大的創(chuàng)作自由度和更高的制造精度，有助于實現(xiàn)更加復(fù)雜、個性化的產(chǎn)品設(shè)計，并推動工業(yè)設(shè)計的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

5增材制造技術(shù)促進協(xié)同設(shè)計與全球制造網(wǎng)絡(luò)

利用互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，設(shè)計師可以在全球范圍內(nèi)進行協(xié)同設(shè)計，共享設(shè)計資源和經(jīng)驗。而增材制造技術(shù)的分布式制造特點使產(chǎn)品可以在全球范圍內(nèi)的制造中心進行打印和組裝，實現(xiàn)全球制造網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和優(yōu)化。這種協(xié)同設(shè)計和全球制造網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，不僅提高了工業(yè)設(shè)計的效率和質(zhì)量，還為企業(yè)提供了更加靈活和多樣化的生產(chǎn)方式和市場機會。

綜上所述，增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個方面，從設(shè)計與制造的緊密結(jié)合到多材料打印與功能集成，再到生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用、綠色制造與可持續(xù)發(fā)展以及協(xié)同設(shè)計與全球制造網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展等。這些應(yīng)用不僅改變了傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計的方式和流程，還為產(chǎn)品創(chuàng)新、市場競爭和可持續(xù)發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

6結(jié)語

本文通過對多個典型案例的分析，系統(tǒng)探討了增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，增材制造技術(shù)不僅能夠更新設(shè)計理念、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還能提升產(chǎn)品性能、簡化制造流程，為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域帶來了革命性的變革。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和市場的日益拓展，增材制造技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

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