小议3D打印在改型设计中的作用

张钰粮，高蕾娜，董浩



小议3D打印在改型设计中的作用

张钰粮，高蕾娜，董浩

（成都大学，四川 成都 610106）

探讨了改型设计在产品开发中的重要作用，与完全创新的产品相比，改型设计具有成本低、效率高等优势，特别是结合3D打印的改型设计能够减少由于各种不确定因素带来的市场风险。分析了几种常见的改型设计的方法及其与3D打印的关系，另外从产业组织的角度剖析了现阶段3D打印对规模制造的影响，为在改型设计中更加有效地融入3D打印提供了理论支撑。

改型设计；3D打印；产品开发

1 改型设计的意义

随着社会的发展，各类产品的市场竞争也变得越来越激烈，稍微大意研发失败或市场反馈不佳，就会使企业面临重大的损失，因此企业在开发新产品时都会变得越来越谨慎。一个产品从概念设计到功能体系的划分、结构形态的确立、制造方案的拟定，从降低风险的角度出发更需要依靠技术积累与经验总结，包括大量的产品数据分析、用户体验信息反馈及反复的样品测定评价等[1]。相较于100%的原创设计，改型设计积累了更多的设计和技术经验，能够对市场变化做出快速反应，在盈利趋势难以预测的情况下，选择稳妥的改型设计能够充分压低研发成本，降低产品投放市场失败的风险，为企业赢得更多的回报与商机[2]。

现代产品的创新是一个将新技术、新功能等转换为市场动力的系统化工程，这个过程既包括了全新产品的开发，也包括了对老产品的升级换代，改型设计能够强化产品的系列性，从而进一步巩固品牌价值，在稳定老用户的基础上吸纳新用户，形成一个不断壮大的客户群。另外产品创新除了考虑研发成本以外，还要综合衡量社会因素、周期因素、风险因素、资金因素等各种情况对经济回报的影响[3]，从新旧产品的市场风险来看，虽然全新产品的开发具有赢得市场认可度高、从中获取的知识与技术储备量大等优势，但却要面对更多不确定的竞争因素以及实质性优势被技术迭代减退的风险。对比而言，而在现有技术基础上对产品进行改型设计是一件风险较低而回报稳定的事情，统计证明多数在功能和造型上完全创新的产品对市场份额的占有远不如基于成熟技术及品牌口碑上的改型产品。

以德国博世旗下的电动工具来说，整体风格都统一在黑、蓝、红三种色调中，造型主要是简单几合体的叠加，少数地方具有弧面和流线感。从图1中可以看出同一系列中的不同产品都是基于一个形态框架衍生而来，即使变化也是小部分的改动而非面目全非地大改。长期以来通过在已有产品基础上的不断改进，为博世赢得了高效的产品开发速度，树立了良好的品牌形象，吸引了众多忠实的消费者。

图1 博世电转系列产品图

目前在改型设计中呈现的一个趋势就是和3D打印结合得越来越紧密了，因为这个过程实现了设计与制造的高度集成，成型过程不需要任何刀具和夹具，摆脱了成本的限制对造型复杂程度的影响。如图2所示为结合3D打印的手柄改型设计，一方面实物模型能够提供比数字模型更为可靠的人机测试结果；另一方面与传统的油泥模型相比，3D打印更方便简洁，即不但不会弄脏手，而且还会大幅提升制作效率，因为油泥的种类有很多，在调制时与粘接剂的配比不易控制，再者油泥一般都有轻微的毒性，长期近距离接触肯定对健康有影响。

图2 3D打印的改型手柄

2 改型设计的方法

2.1 以参数优化为主导的改型设计

一般企业出于对生产条件和设计通用化程度的考虑，很多新产品的研发都是在已有产品基础上的改型设计，因而具有很强的继承性和系列化特征。在设计中因为局部调整使得整个产品参数发生变化的情况比比皆是，为了加快设计速度，参数化设计得到了广泛的应用[4]。在生活中由一体成型就能投入使用的产品并不多见，大多数产品都是由各个部分装配而成，参数化设计很好的符合了这个特点，它将从零部件开始的自下而上的设计与整体方案捆绑在一起，建立了过程与结果之间的函数关系，只要改变其中之一就能使另外的数据随之发生变化。结合3D打印来验证参数化设计，能够提供比数据模型更为真实可靠的校验结果，虽然虚拟场景也是依据物理定理编写出来的模拟程序，可以准确地判断机构设计的合理性，但是却无法顾及到材料的力学性能、表面粗糙度以及外界环境的影响等。从严谨和保险的角度出发，很多时候必须将实物做出来，相较于传统的模具制作，3D打印可以充分发挥其成形速度快，仿真能力强等优势，然后再进行一些后期的加工处理来获得相应的力学性能、表面精度等，从而更加真实地还原组成产品的各种机构在现实环境中的工作情况。

2.2 以装配改进为主导的改型设计

对装配方案进行改进是改型设计中的另一种常见手段，基于现有结构的简化是装配改型的重点，同时也是难点。另外将装配改型与定制化消费结合起来也是当今制造业发展的一个重点，表现在将产品的易损件设计为可以随时更换和安装的部份。这一点可以和3D打印紧密结合，信息共享就是其中的一种，厂家可以阐明某零件在以不同材质制造时的受力强度、使用寿命等信息，然后以开源数据模型下载或提供技术指导的方式让擅长3D打印的用户获得更大选择权[5]，比如张三可以采打印塑料螺钉，而李四可以打印金属螺钉，虽然前后两种螺钉在使用寿命上有较大的差异，但是都是从用户需求出发的装配改进。目前将产品的核心部件独立出来作为一个功能单元，而其它部分可以让用户自主设计并拥有更大选择权的产销模式已经受到广泛的关注。这一点同样可以与3D打印紧密联系起来，以达到某种紧固效果为例，可以采用三种不同的装配方式，厂家只提供一种紧固零件，而另外两种紧固零件和装配方式虽然没有实物，但是附有说明图纸，用户可以根据自己的需求以3D打印来获得零件。以上所述其实是有关装配改型中模块化设计和选择的问题，将3D打印融入其中，可以有效地扩展模块化理论的应用范畴，从而为装配改进提供更多高效高质的改型方式。

2.3 以外观变化为主导的改型设计

在这里将以外观变化为主导的改型设计分为两种，一种是由功能引起的外观改型，另一种是从美学角度引起的改型。目前将3D打印融入到这两种外观改型中都能体现出一定程度的优势，特别是后者，通过3D打印能够解决传统加工技术（减材制造）不能得到的复杂形状，即无需数控加工就能得到各种型腔曲面。这样就大幅加强了产品柔性制造的能力，为外观美学性能的提升增添了更多的弹性选择[6]。

3 改型设计与3D打印的结合

3.1 3D打印的优势

目前从3D打印的发展来看，在缩短产品改型设计与再制造的周期，满足定制化消费需求等方面已经逐步显现出其有别于大工业生产的独特优势。将改型设计与3D打印技术结合不但可以大幅缩短样品试制周期，另外在降低功能样件的返工率、检测产品造型误差、调式结构件的装配干涉、进行应力与流动分析等方面都比传统的制造方法节约很多时间和费用。例如上海泰联科技有限公司利用3D打印技术为某一汽车股份有限公司新车的前后保险杠进行了冲撞试验，使用3D打印技术6套保险杠的制造周期仅为40天，费用约为60万；而使用传统加工方法制造周期约为6个月，费用高达600万[7]。

采用传统制造方法进行工业生产需要的模具一般由成型磨削、铸造模具、数控铣削等方法来完成，由于这些工艺复杂且耗时长，资金需求大，严重影响了产品上市的速度。将3D打印应用到模具加工中可以充分发挥其柔性制造的优势，打破传统加工技术的限制，将待成型物理实体的形态及结构难度与成型过程的难度分开，利用降维制造的方式将数字化模型转变为可以触摸的实物样品[4]。另外，针对一些切削加工无法获得的复杂形态，现在以犀牛（Rhino）为数字平台的蚱蜢（Grasshopper）可视化节点式编程插件就致力于形态创造的效率问题的解决（复杂形态的绘制与修改在人工操作下都是艰巨而繁琐的操作），该插件借助程序与逻辑语言的高效性，在制图过程中将微观层级的各个要素联系起来控制宏观变化，进而使计算机能够轻松处理微观层级的海量信息[8]。数字技术已经可以帮助我们将以前难于想象的物态创建出来，而3D打印则能实物化数字模型，在定制化消费需求不断扩大的今天，怎样充分发挥3D打印的优势，弥补传统制造的不足，是每个设计师都需要思考的问题。

3.2 3D打印与传统制造技术的关系

机加工主要是指去除成型（Dislodge Forming）和受迫成型（Forced Forming）两种方式，而以3D打印为代表的“快速成型技术”是在数字化建模、控制软件、材料工程、机械原理等组成的一个复杂的机电一体化系统上建立起来的[9]。3D打印模型的形成过程是从零开始的“加法”运算，通过将三维实体分解成一片片二维形状的层叠可以制作出任意复杂的造型及结构，突破了“减材制造”技术针对不规则复杂几何造型无法加工、难以加工或开模具成本非常高昂等技术瓶颈[10]。

随着制造网络、信息网络的不断发展及个性化消费的快速增涨，有关于3D打印能否彻底颠覆传统制造的争论就没有停息过。其中激进派将3D打印视作1977年个人计算机和1990年网页浏览器一样，是一个崭新的市场从萌芽期进入成长期的转折点[11]。《经济学人》杂志认为触发第三次工业革命的关键因素就是以3D打印为代表的数字化制造技术，“其将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式”[12]。“如果在金属材料上得到广泛应用，3D打印就可能引领新一轮工业革命”[13]。而保守派则认为3D打印没有实际的盈利空间，只是市场高估的一个泡沫。“大众化的3D打印机因为材料，质量受限，所以盈利空间小”[14]。“高端机的起价格都在十万或百万，材料更是按克算钱，其高成本让中小型企业难以承受”[15]。“目前核心的3D打印技术还是由政府扶持并且运用在军事、航空航天、医药等领域，工业化的推广实际上很难”[16]。

虽然就眼下来看，3D打印确实还存在一些亟待突破的技术瓶颈，诸如在速度上不及规模化的大生产；虽然可以减少材料的浪费，但是整体能耗还不够低；打印金属、陶瓷等材料的价格太高；材料的适用范围及成品的物理特性均未拟定出统一的行业标准[17]；后期模型需要进行剥离、打磨、修补、抛光等处理……问题越多，改进的空间多，说明3D打印的发展潜力巨大。不断革新的生产加工技术必然会同时推动传统工业生产方式和3D打印的进步，在将来，无论3D打印能否全面替代批量制造并不重要，作为一种先进的制造手段，能够突显自己的技术优势，有针对性的解决实际问题，就达到目的了。

3.3 3D打印对产业组织模式的影响

目前3D打印已经能与规模制造融合并将影响力扩大到生产流程与组织方式上。比如企业可以通过创建公共服务平台将常用零部件信息挂到网上供用户下载，用户再将下载的数据以3D打印转换为实物，可以根据需要选择不同的材料，这样做既省去了维修寄换零件部件带来的麻烦，也让部分消费者享受到定制化服务带来的灵活与便利。再如有的3D打印发烧友将自己的产品设计方案上传到定制化平台进行交流共享，以“用户－企业－用户”的生产模式创造出更多的就业机会，将密集制造向分散制造引流，从而节约大量资源成本，也把设计与生产推向更加社会化与民主化的境界[9]。

2015年出台的《国务院关于大力推进大众创业万众创新若干政策实施的意见》明确指出，充分调动亿万群众的智慧及创造力来推动整个社会的创新发展，对一些资源消耗大、环境破坏严重的粗放式生产模式进行结构性调整是势在必行的改革[18]。我国人力资本的潜在优势还有待释放，通过优化产业组织方式可以创造更多的就业机会。基于当前的政策条件，借助3D打印独特的成型优势，将创新、体验与服务共同融入到销售中，通过信息网络、制造网络与物流网络的互通优势，拓展与定制消费紧密结合的各种生产服务模式，形成一种社会化的“创造性活动”必然为大势所趋[19]。具体来讲，在改型设计中结合3D打印能够广泛集合社会化制造的资源，通过与协同创新、制造网络一体化等方式的融合，把“个人工厂”纳入到整个产业价值链中，撇开核心技术，企业可以将很多改型项目委托给个人完成，从而将社会制造积累的人才优势有效转化为产品的竞争优势。

另外对一些定制需求较高而技术门槛较低的产品，除开专利保护节点，用户可以借助3D打印将自己的审美喜好融入外观设计中，而企业只需要提供一些指导性的建议，诸如尺寸规范、项目清单、自助打印及装配指南等。这种通过3D打印将传统的生产方式转变为定制化生产的方式一方面为企业在核心技术以外的研发节约了大量成本，另外一方面通过把产品的部分价值以协同开发的方式返还给消费者的方法，既可以促进产品的销售，获得更多准确的用户体验数据，又可以将部分消费者转变自主创业者，将以核心技术为驱动的精英设计与自主参与为驱动的大众设计有效结合起来。

3.4 3D打印与改型设计的结合发展

就以上分析来看，如果要想3D打印在改型设计中发挥更大的作用，应该将重点放在怎样使3D打印与传统制造更好地衔接上，使它们相互取长补短。随着智能化、大数据、云计算逐步成为技术主流，完全可以利用3D打印来淘汰一批污染大、能耗高的规模经济，并将其朝着分布式协同生产与个性化定制的方向引导[20]。另外，应当加快完善3D打印周边服务，积极推进互联网公共服务平台的打造，面向细分行业提供更多的3D打印培训，促进创新资源、生产能力、市场需求的集聚与对接，形成面向生产组织全过程的服务信息。要鼓励企业利用互联网采集并对接用户个性消费的需求，为改型设计提供有力的数据支撑，可以开展远程维护、质量诊断、在线答疑等增值服务，将数据模型处理软件与打印控制软件进行一体化开发，只有这样才能让更多的用户感觉到3D打印的魅力。

4 总结

目前在改型设计中融入3D打印已成为企业创造竞争优势的一项有力抓手，虽然还难以预见它对制造业未来的发展究竟会产生多大的影响，但是从目前的情况来看，在产品开发中3D打印确实可以极大的降低研发成本和缩短研发周期。当前3D打印已经在工业生产配套体系中逐渐展露锋芒，特别是在传统制造方式短板的弥补上，在改型设计中融入3D打印就是一个很好例子。当然3D打印也有很多亟待解决的技术难题。在利用3D打印为改型设计服务的过程中，应该综合成本、开发效率、投资回报、净利润等各方面的因素来考虑问题，这样才能使3D打印更好地为改型设计服务。

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The Role of 3D Printing in Remodeling Design

ZHANG Yuliang，GAO Leina，Dong Hao

( Chengdu University, Chengdu 610106, China )

The paper discusses the important role of remodeling design in product development. Compared with completely innovative products, remodeling design has the advantages of low cost and high efficiency. When combined with 3D printing, it can reduce the market risk caused by uncertain factors. The paper analyzes several common methods of remodeling design and its relationship with 3D printing. In addition, a study of the impact of 3D printing on large-scale manufacturing is conducted from the perspective of industrial organization, which supplies more theoretical support for the integration of 3D printing and the remodeling design.

remodeling design；3D printing；product development

TB472

A

1006－0316 (2018) 04－0067－06

2017－08－02

四川动漫研究中心资助项目（DM201624）；成都学院（成都大学）2017年本科教育教学改革项目——产品专业设计表现课程的优化研究（校级自筹，项目编号106）

张钰粮（1982－），女，四川成都人，硕士，讲师，主要研究方向为工业设计管理、快速制造、优势设计等；高蕾娜（1985－），女，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为机电一体化、计算机应用；董浩（1985－），四川成都人，博士，特聘副研究员，主要研究方向为列车动力学性能分析。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.016