3D打印技术驱动产品设计新模式

杨艳石

摘要：为高效设计出多元化、个性化和多形态的产品，提出基于3D打印技术在产品设计中的应用研究。梳理了3D打印技术的概念和发展历程，分析了3D打印技术的特点和类型特征，并结合传统机器大规模生产和手工制造的模式，论述了将3D打印技术融于产品设计中，能够实现传统的“规模经济”向“从零起点到规模化生产”和“设计众包”的设计模式的转变。在此基础上，提出了在产品设计中应用3D打印技术的众多益处。

关键词：产品设计 3D打印技术 增材制造技术

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）10-0082-02

工业和信息化部、国家发改委、财政部印发《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，提出到2016年，初步建立较为完善的增材制造（又称“3D打印”）产业体系。来自全球领先的移动互联网第三方数据挖掘和整合营销机构iiMedia Research（艾媒咨询）近日发布了《2015中国3D打印市场研究报告》3D打印技术席卷各行业领域，主要包括产品设计、医疗、教育、航天、考古、建筑和军事等领域，3D打印技术将从实验室逐步走向市场应用，而随着技术的成熟，3D打印将会应用在更多领域，改变着人们的生产生活方式。

1 3D打印技术的研发与应用

1.1 3D打印技术

3D打印技术又称之为增材制造技术，是快速成型技术（RapidPrototyping Manufacturing）的一種，是以经过智能处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合性材料，通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂物体的技术。3D打印是通过一层层堆积的方式，运用“加法”的加工工艺来构建形体，而传统的切、削、车、铣、磨等是运用“减法”的加工工艺。3D打印的出现打破了传统制作模型依赖模型工依据图纸制作每个零部件，然后组装验证的复杂、漫长过程，3D打印技术解决了传统加工工艺“伸不进、够不着”以及不能加工任意复杂的中空形体的难题。

1.2 3D打印技术的工作原理

3D打印是以三维数字模型为基础，通过材料层层叠加的方式形成三维实体模型。3D打印机在三维数字模型文件指令的引导下，打印喷头根据模型每层的横截面的路径轨迹，喷出固体粉末或熔融的液态材料形成一个X、Y轴的二维薄层面，第一层固化后，喷头再次返回，在第一层的基础上叠加出第二层，如此往复，最终通过N层的薄层累积形成三维实体模型。

3D打印技术的学名为“增材制造技术”，又称“产品快速成型技术”是对3D打印机的工作原理做出的直白解释。“增材”是指3D打印通过原材料沉积或黏合为材料层以构建成三维实体的打印方法，“制造”是指3D打印机通过某些壳测量、可重复、系统性的过程制造材料层。

1.3 3D打印的成型工艺

目前3D打印技术成型工艺中以SLA、SLS、FDM和3DP等发展得较为成熟。不同的工艺技术在所使用的材料和成型方式E有所不同，因此也都有各自的优缺点以及应该领域的不同。

世界上第一台3D打印机采用的就是SLA技术。

SLA全称为光固化立体成型（Stereo Iithography Appearance）。SLA的工作原理（见图1）：在容器里装有透明、有黏性的液态光敏树脂等材料，采用紫外激光束照射，按照数字模型转换的路径层面，使之快速固化、逐层成型。

SLS全称为选择性激光烧结（Selective Laser Sintering），该工艺属于粉末、丝状材料高能束烧结或熔化成型。SLS工作原理（见图2）：利用粉末材料在激光照射下烧结成型。首先铺粉辊筒在工作台上均匀地铺上一层粉末材料并刮平，然后模型文件的切片轨迹控制高强度的激光器，进行有选择地在该层截面上扫描，使固体粉末温度升至熔点，然后烧结形成黏结；其次，粉末完成一个层面的后，工作台下降一个层厚，铺粉系统在铺上新粉，激光束在进行扫描烧结，如此往复，层层叠加，直到形成3D物体。

FDM全称为：熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling），该工艺属于丝材基础热熔成型。FDM工作原理（见图3）：将丝状材料的热塑性材料通过导管送入喷头，在喷头内加热熔化，通过喷头下方的微细喷嘴挤压喷出，随后喷头沿着一系列的水平、垂直轨道构建一个层面的横截面和轮廓，第一层打印完成后，打印的喷头沿z轴会略微抬起，继续熔丝沉积下一个层面，直到打印出整个实体模型。

2 3D打印技术革新产品设计方法

近年来，3D打印技术由于其增材制造工艺的优势，越来越多地被用在产品设计研发的流程中。传统的产品设计建立在大规模生产方式上，然后又受限于规模经济的基本经济规律之中，所以导致设计师的许多创新理念束缚在制造技术、产品质量、消费价格以及企业的利润等问题上。

产品的大规模生产虽然具有生产效率高、生产成本低、自动化程度高的特点，却是以牺牲产品的多样性为代价，实质上已经不能再适应变化越来越快的市场需求和激烈的竞争。第一，大规模生产为了适应规模经济的规律，增加企业的利润，必须降低批量生产产品的价格，导致企业生产的产品必须出售大量相同的产品才可以从中获益，这意味着消费者个性化需求的特点在产品设计过程中难以实现；第二，大规模生产要依靠工厂和生产线，这就存在产品制造企业必须购买大规模的加工机器和配套场地，同时还必须雇用技术人员和工程师，从而可以保证产品设计能够成功地转为实际的产品；第三，进行批量生产的产品在制造的过程中会受到产品造型、结构、材料和机器设备等的制约。相比较传统的产品生产制造，手工制造不需要投资建厂，也不需要雇用熟练的设计师、技术人员和工程师，但是如果一个新的设计理念在制作成产品后被证实存在致命缺陷，那么这个产品基本上被认定为是失败品，手工制造者得承受材料上和时间上的浪费等，而且手工制造的缺点是不具备规模化生产。

随着经济的快速发展，大众对多元化、个性化和多形态产品需求已经成为现代消费的发展趋势，增材制造技术引领着批量制造模式向个性化制造模式的发展。相比较传统减材的生产方式，3D打印的增材制造工艺能够拓展设计人员的创新思维，使得设计师在产品初期的创造思维不受制约。设计师可以尽情地拓展想象空间，把在虚拟世界中创造“作品”带到现实生活中进行修改、完善和再创新，将设计图纸快速成型使之具象化。产品的多样化和个性化特征更加明显，可以使得消费者不再是被动地接受产品，而是根据消费者本身的个性以及实际需求对众多个性化产品进行挑选。

其次，通过3D打印出来的产品可以很好地作为设计交流媒介。产品虚拟概念模型通过3D打印机输出实物模型，便于设计团队中的每位成员以及客户直观体验，从而深入完善设计理念的表达，实现整个产品研发过程中的每个环节达到无缝对接的协同工作状态。

再者，3D打印在产品的研发过程中，可以缩短产品成型的周期以及降低研发的成本。设计中出现的缺陷，能够在早期阶段被析出并加以解决，最大限度地减少设计反复，缩短产品设计开发时间。缩短产品的研发周期，也就提高了产品市场转化的效率，增强了市场竞争力。同时，3D打印能够快速进行新产品进行测试，以便于适应不断变化的市场需求，从而可以帮助新产品降低推向市场的风险和成本。

最后，3D打印还可以推进体验经济的发展，体验经济可以让消费者获得新的技能，还可以让消费者在设计和制作过程中获得满足感。3D打印可以打破传统沉闷的用户体验，消费者可以恨据自己的需求，进行数字化三维建模或者获取开放的数字模型文件，使用3D打印机实现个性化产品需求。这种体验式产品开发模式，将打破设计师和消费者间的鸿沟，实现全民参与的“民主设计”新时代。所以将3D打印技术运用于产品设计中，可以改变原有的规模经济模式所带来的束缚，转变为设计众包的设计模式。

3 3D打印技术在产品设计中的应用展望

传统大规模机器生产具有高效优势，能够降低生产成本，但由于规模经济的制约，产品的多样性和定制性受到制约。相比较，手工制造虽然能轻松生产出个性化的产品，但满足不了规模化、批量化的需求。3D打印技术突破了以往制造中受众多因素限制，如：在产品的造型形态上、功能上、机器设备上以及材料上等方面，它可以将精准的数字技术、工厂的可重复性和工匠的设计自由结合在一起。

虽然3D打印已经快速渗透到人们的生活中，改变着人们的生活方式，但也带来了很多新的问题和挑战。第一，三维数字化模型是3D打印机输出的前提，三维设计软件是构建三维数字模型的方法之一。目前，众多的三维设计软件对大众而言，有一定的入门难度，往往依赖于专业的设计师，因此，三维软件的简易化、普及化是快速培养3D打印行业人才的重要因素之一。第二、优化3D打印硬件技术，降低3D打印成本。3D打印技术早在20世纪80年代就出现，中国物联网校企联盟将其称作“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。虽然3D打印在近几年里得到了迅速发展，在不同行业发挥着重要的作用，但由于3D打印设备和使用成本上还处于比较昂贵的状态，所以发展和提高3D打印的技术，研发“平民化”3D打印设备，是普及3D打印技术的重要因素之一。第三，目前3D打印多数使用PLA、ABS、光敏树脂、尼龙等材料，而生物类材料和复合型类的材料都还在停留在实验室阶段。因此，要拓展3D打印的应用领域，要不断研发出新材料，形成多元化的3D打印材料。第四，3D打印的产品质量以及打印物品的版权纠纷等问题亟待解决。目前MakerBot公司的Thingiverse和Google的3D模型库都提供3D模型的下载，用户只要登录网址选择适合的模型文件进行下载，然后交给3D打印机进行打印，便可以实现虚拟模型到实物模型的转变，如果下载打印模型的为制造商，那就可以利用3D打印机进行小批量生产和销售，或者使用打印出来的实物模型进行开模后并批量生产，就会出现所销售产品的版权等问题。

综观上述，3D打印时代的到来，既要看到3D打印技术的优点也要看到它的不足，在理性分析3D打印的优缺点的基础上，让3D打印技术更好地为产品设计研发服务。随着3D打印技术的发展，目前的3D打印技术的不足将会有所完善，三维打印技术打印出来的对象也将从外部的形状发展到内部结构，最后发展为可以打印对象的高级功能和行为等方面，不再停留在打印对象外在造型的复制，而是进一步满足其在外观、功能、情感等使用上的结合。未来3D打印技术也将通过网络平台实现客户与厂商的对接。如云平台，3D打印云平台的工作流程迎合时下点击消费速度与私人定制潮流，使消费者根据自己的审美需求通过3D打印云平台，实现定制化、个性化服务，轻松地让自己的想法变为现实。创客者或者企业只需要有一台3D打印机，通过网络数据库平台进行具体项目需求对接，完成线上客户需求和线下客户资源的进一步交流以及后期的制造需求，全球的需求供应链将被以零库存的小制造商或个人所取代。企業也可以通过网络平台来寻求小的供应链来达到缩短研发成本以及迅速检测所研发产品是否合理等问题。

4结论

3D打印技术使产品的制作简单化、直观化、个性化，能够缩短产品研发周期，拓展设计人员的创新思维，实现产品造型结构的创新突破。因此，3D打印技术的发展和应用，突破了产品设计受制于大规模生产基础下的规模经济发展的制约；改变了生产制造集中在厂商，产品设计研发集中在设计公司这一格局；推动了设计模式向大众设计、大众制造的转变。