CAID与3D打印技术研究初探

郑 霞

广西师范大学广西桂林541006

CAID与3D打印技术研究初探

郑 霞

广西师范大学广西桂林541006

当前自从世界上第一台计算机诞生开始，计算机技术就一直在不断的发展，尤其是在最近20年当中，计算机技术得到了快速的发展，在各行各业当中具有非常广泛的运用，在工业设计领域当中我们随处可以看到计算机技术的运用，其中计算机辅助设计是在工业设计当中使用较为广泛的计算机技术，当前在工业设计的生产一线以及各大高校设计专业当中CAID都具有非常重要的意义。3D打印技术是随着CAID技术的发展而出现的一种技术，3D技术在最近几年当中取得了突破性的进展，其技术已经基本趋于成熟，在实际的工业生产当中也具有非常广泛的运用。但是当前阶段关于CAID与3D打印的相关融合还没有引起人们的广泛关注，基于此种情况，本文对CAID技术与3D打印技术进行了研究，对二者进行了介绍与对比，并探究了二者在工业设计领域当中的运用。

CAID；3D打印；计算机辅助设计；工业设计

引言

工业设计是在伴随着工业的发展而发展起来的一个行业，迄今为止工业设计已经有了一百多年的发展历史。在工业发展的过程当中，人们对工业产品的需求不断提高，从而促使生产厂家必须要提高产品的外观、构造以及形态，从而促进了工业设计的诞生。工业设计最初的内容就是对单个产品的开发设计，现如今工业设计已经逐渐成为了整体性的服务与产品生命周期当中的系统设计，其内容被不断的丰富与完善，这种设计方式的转变也对人们的日常生活产生了较大的影响。我国的工业设计起步相对较晚，在上个世纪80年代，我国的工业设计才逐渐开始走进人们的生活当中，同时当时的工业设计水平相对较低，工业设计受到艺术设计的影响也相对较大，设计的内容主要是产品的外观方面[1]。随着改革开放的不断深入，我国的经济持续高速发展，到上个世纪90年代左右，经济的发展推动了我国制造业的发展，在这样的背景下，我国的工业产品制造技术不断趋于完善，同时工业产品的生产在社会当中也火热开展起来，同时在这个时期以计算机为代表的信息技术开始走向成熟，因此利用计算机进行工业设计就开始在工业设计领域当中出现，从而出现了计算机辅助工业设计，即CAID，在CAID技术开始在工业设计领域当中广泛运用的同时，3D打印技术也出现了，但是3D打印技术在很长的一段时间内都处于停滞不前的状态当中，直到2010年左右，3D打印技术才取得了突破性的进展，3D打印技术才被运用在实际生产当中，尤其是在工业设计领域当中具有非常广泛的运用，许多设计师通过3D打印技术进行产品的设计，有效的缩短了产品研发的周期，省去了设计过程当中的模型制造与审核的环节，极大的推动了工业设计的发展[2]。

一、CAID简介

计算机辅助工业设计是从计算机辅助设计发展而来的一个新的概念，随着计算机技术的不断发展，许多配套的设计软件也逐渐成熟起来，如CAD与有限元软件等开始出现，从而允许计算机被使用在设计领域当中。而CAID就是计算机辅助设计的英文缩写。从CAID的本质上进行分析，CAID技术是在工业设计与计算机技术的支撑下系统形成的一种全新的技术，是与传统的工业设计存在着极大的差别的设计方法，与传统的工业设计方法相比，CAID在设计方法、设计过程、设计质量和设计效率方面都发生了颠覆性的改变，从而为工业设计的发展提供了重要的动力。CAID技术是一种包含了多种不同属性的计算机技术，如虚拟显示技术、模糊技术、人工智能技术、多媒体等，同时不同的技术之间也存在着一定的交叉，由此可见CAID技术是一种综合性的技术[]。

在工业产品的开发过程当中，往往需要经过多个环节才能使得最终的产品得以实现，首先需要对市场进行必要的调查，了解用户对产品的实际需求，并设定产品的市场定位，再绘制草图与效果图，之后还需要制造出数据模型与实物模型，最终才能进行产品的批量生产。在这个过程当中产品的可视化过程是非常关键的一个部分，只有做好这部分工作才能在产品量产之前对其中所存在的不足支出与错误进行改进，从而促进了产品的完善，在进行可视化工作的过程当中，往往需要CAID技术的支撑，例如在进行产品效果图绘制的过程当中，我们可以利用PS、Coreldraw等计算机辅助设计软件进行二维效果图的绘制，利用3DMax等软件进行三维模型的设计。而在数据模型阶段，CAID也具有非常广泛的运用，例如可以使用一些工程类的软件进行工程模型的制作，如SolidWorks与CATIA。从而为后期的产品生产做出充分的准备。在进行产品设计的整个过程当中使用CAID技术进行设计相比于传统的使用手工效果图与模型制作的方式极大的提高了涉及的效率，同时也使得设计的精确性得以有效的提升。当前阶段在工业设计领域当中使用CAID技术进行工业设计的相关软件已经非常的丰富，尤其是在计算机硬件不断升级的基础上各种软件的性能也得到了极大的提升，并不断的朝着智能化与集中化的方向发展。因此，在未来计算机会完美呈现设计者的设计构想，不用去花费太多的精力和时间去学习各种软件建模、渲染技术。这样是技术对设计师的一种解放，让设计师可以把更多的精力集中到设计创造阶段[4]。

CAID在工业设计当中的应用也不仅仅局限于设计表现方面的运用，我们可以将CAID技术推向工业设计的全过程，例如，在进行工业产品的前期调研过程当中，我们可以利用计算机对相关的调研数据进行充分的分析与论证，从而提高产品市场定位的精确性，在最近几年发展起来的大数据技术就可以充分的使用在该领域当中。还有设计过程中对产品的人机工程学分析，只要有了数据模型，我们可以通过计算机辅助设计技术，用人体数据库对设计进行检验，提出更合理的人因工程分析数据，帮助设计师改进设计。这些都是计算机辅助设计技术应该发挥作用的方面[5]。

二、3D打印技术与工业设计

3D打印技术是在上个世纪90年代才出现的一种全新的制造技术，3D打印技术需要以存储在计算机当中的模型数据为基本依据，利用塑料或者粉末状的材料通过逐层打印的方式来将实际的物体制造出来。3D打印技术在问世之后，广受设计人员的欢迎，被广泛的使用在设计模型的制造方面，但是随着3D打印技术的不断发展，3D打印的应用已经不再仅仅局限在设计领域当中，在实际生产当中也具有非常广泛的运用，一些工业零部件已经开始采用3D打印的技术开始生产[6]。

但是总体来说3D打印技术在工业设计领域的应用相对来说还是较多的，在传统的工业设计当中，在设计的最后阶段都需要制作一个模型，用来测试和检验设计的可行性和合理性。一般来说一个模型的制作周期大约为1周左右，模型的成本相对来说也较大，同时通过手工制作的模型在精度方面还存在着较大的问题，如果还需要进行开模的话，模型的价格则会更高，但是如果采用3D打印技术进行模型的制作，只需要通过一台3D打印机与制作材料在几个小时之内就可以将模型制作出来，同时模型的精度还非常高，这就可以使得产品开发的过程被极大的缩短了，同时也可以有效的降低制作成本。当前阶段3D打印机的制造技术已经非常成熟，其成本相对来说也较低，许多企业都会为设计工作配置3D打印机，甚至还有部分企业推出了家用的3D打印机[7]。

3D打印技术的出现对制造业与工业设计带来了革命性的变化，当前阶段3D打印在工业设计与制造方面的应用已经在很大程度上改变了人们的日常生活，例如可以通过3D打印技术进行房子的制造，可以使得一些生活在极端环境下人群的居住环境得以有效的改善，通过3D打印技术还可以进行人体器官的打印，从而避免了大量的器官移植需求得不到满足的现状。

三、CAID与3D打印技术在工业设计方面的结合

CAID技术与3D打印技术本来就是两种相辅相成的技术，3D打印技术必须要以一定的数据模型作为打印的基本依据，而3D打印技术则将虚拟的工业设计转变成了实际的模型，因此，如果实现CAID与3D打印技术在工业设计方面的有效结合，则可以推动工业设计产业的整体发展，同时也会使得这两种技术的实际运用得到一定的推广[8]。

在下文当中，笔者将通过一个自己实际操作的案例分析CAID与3D打印技术在工业设计方面的实际运用。在该案例当中，需要进行一个吉祥物的设计，设计的原稿是由他人进行设计的，因此，在此仅仅讨论数据模型的制作过程与3D打印的实际过程。下图一为通过CAID技术所制作出来的二维效果图，这两个吉祥物分别被明明为花花与桃桃，其人物造型是以花与桃子为原型的，三维模型制作阶段应用了McNeel公司开发的Rhinoceros软件和多边形建模插件T-spline。借助于T-spline的自由多边形建模功能，在数据模型的建构过程当中，首先需要构建花花与桃桃的身体部位，再通过多边形转NURBS曲面的命令，转成Rhinoceros软件中可用来编辑的NURBS曲面[9]。在完成这些工作之后还需要对人物的身体方面的细节进行充分的修饰，最后才能完善数据模型的构建，数据模型的构成如下图二中所示。在完善数据模型的建构之后，需要将相关的模型数据保存为STL格式，并将相关的数据导出来，在导出数据之后，再将相关的数据信息导入到与3D打印机相连的计算机当中的打印软件。在该案例当中所使用的3D打印机是我国国产的3D打印机，打印机与打印软件如下图三中所示，通过定位、打印尺寸等的设置后打印机便会执行指令，开始逐层打印，直到打印完毕。最后还需要对3D打印所得出的实际模型进行简单的人工处理，最后就可以得到模型。在该案例当中从最开始的数据模型的构建到最后的打印完成耗时一周不到，所得到的模型效果也相对较高[10]。

图一 二维效果图

图二 三维数据模型

图三 3D打印机与打印软件

图四 3D打印的最终模型

四、结语

在本文当中，笔者对CAID与3D打印进行了简略的介绍，并以此为基础分析了CAID与3D打印技术在工业设计领域当中的应用，最后通过实例对二者之间的结合进行了分析。我们可以发现，将CAID与3D打印技术结合在一起可以有效的提高工业设计的效率，在提高设计速度的同时，还能提高设计的质量，并有效降低设计成本，应该在实际的使用过程当中大力推广。

[1]吴世嘉,张辉,贾敬敦.3D打印技术在我国食品加工中的发展前景和建议[J].中国农业科技导报,2015,01:1-6.

[2]刘宏伟,翁益平,张云坤,徐南伟,童晶,王彩梅.计算机辅助设计及电子束熔融快速成型金属3D打印技术制备个性化股骨假体[J].中国修复重建外科杂志,2015,09:1088-1091.

[3]徐步光,李丹荣,宁锐剑.3D打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响[J].中国医疗器械信息,2015,08:13-18.

[4]王静,袁荣涛,董苻.计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用[J].国际口腔医学杂志,2016,06:725-728.

[5]张楠,李飞.3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计,2013,07:97-99.

[6]张莹.打印出一个三维世界——谈3D打印的发展和工业设计的关系[J].天津美术学院学报,2013,02:86-87.

[7]姚强,王丽平.“万能制造机”背后的思考——知识产权法视野下3D打印技术的风险分析与对策[J].科技与法律, 2013,02:17-21.

[8]孟庆华,汪国庆,姜的宏,汪培庆.喷墨打印技术在3D快速成型制造中的应用[J].信息记录材料,2013,05:41-51.

[9]张韬略,黄洋.3D打印时代我国专利权人的维权困局及出路[J].电子知识产权,2014,05:39-45.

[10]孟炯.满足个性化需求的3D打印定制模式创新——兼论实现个性化定制模式的商业化策略[J].科技进步与对策, 2016,15:22-29.