计算机辅助工业设计与3D打印技术的融合应用

舒庆伟

（河北省承德市双滦区职业技术教育中心，河北 承德 067101）

引言

传统的工业设计包括对产品的结构、形态、装饰等方面的改变，而由于运用了计算机辅助设计，工业设计的产品又包含了人文和艺术特点。设计师将自己的设计理念和设计方法有机融合，再借助辅助工业设计与3D打印技术，有效提高工业产品的生产效率，从而推动产品在市场的流通。现阶段3D打印技术已经广泛应用于工业设计和医疗行业。

1 计算机辅助工业设计概念解析

1.1 概念分析

在传统的工业设计中，设计人员根据自己的设计灵感，采取不同的方法，将灵感设计成具体的实物，然后再经过多次修改和完善，最终制作出满足设计者想法的作品。也因此，一件作品的完成需要耗费设计者较长的时间。计算机辅助工业设计理念提出之后，在整个产品设计中，无论是设计方法、设计质量、设计过程，还是设计效率都能得到有效提升[1]。常见的计算机辅助工业设计方法有多媒体技术、CAD技术、人工智能技术、虚拟现实技术、模糊技术、敏捷制造以及人机工程等，在具体设计过程中，设计人员应当根据作品特点，合理选择相应技术。

1.2 设计流程

工业产品的整个设计流程包含多个环节，首先要做市场调研以及设计需求定位，然后制定草图和效果图，最后根据产品的数据模型进行批量生产。例如产品效果图设计通常会选择Photoshop等软件进行二维效果图的设计，然后再通过3DMax等软件完成三维设计，并进行效果图的渲染。在数据模型制作阶段，通常会选择CATIA等工程类软件进行完善。当效果图满足生产需求时，就可以大批量生产。

1.3 技术优点

在工业产品设计过程中，通过计算机辅助设计出的数据效果图与传统的手绘效果图相比，无论是着色还是空间感觉，都会更加直观和有效，设计结果也更能凸显设计人员的设计理念。因此计算机技术已经在工业设计中实现了全覆盖。随着信息技术的不断发展，计算机软件、硬件也在不断更新。现阶段计算机辅助工业设计已经达到了智能化、集中化和现代化。设计人员只需要熟练操作各种计算机设备和系统，就能够在短时间内创作出多种软件模型，这样，就能节约出更多的时间，用于研发和创作新的产品。

2 3D打印技术与工业设计概念解析

2.1 技术原理

3D打印技术是在CAD/CAM技术、激光技术、机械工程、计算机数控技术、分层制造技术以及精密伺服驱动等技术的基础之上最先进的制造技术。利用计算机做出的三维数据模型，被称为蓝本，再借助不同的软件将蓝本分解成不同的平面切面，通过数据控制成型系统，利用热熔喷嘴或者激光束，将相应的材料进行连接，最终形成产品。

2.2 应用流程

2.2.1 制作数据模型

在工业设计中，设计人员拿到设计图纸之后，要反复确认产品的制作要求，指定制作的零件和模型，并确定所有零件的相应功能。3D打印技术比传统的手工设计有更多优势，例如较高的精准度，较高的强度，成本耗费较低等，确定好所有材料和系统之后，专业设计人员可以根据系统的指示，快速制作出相应的数据模型。

2.2.2 制作设计工具

在工业设计领域中，通常不同的设计师会选用不同的设计工具进行产品设计。在制作设计工具时就可以利用3D打印技术。设计人员会按照自己的实际需求，制作各类设计工具，减少了工具选择、采购等的时间，更有效避免工具不符合要求的问题，让设计师有更多的精力做出更多优秀的作品[2]。除此之外，使用3D打印技术制作出的设计工具比市面上采购的工具质量更轻巧，设计的精准度更高，可以完全满足设计师的使用需求。

2.2.3 生产小批量产品

虽然3D打印机的使用优势众多，但是不能投入到大批量的产品生产中，这是由于大批量生产往往需要较多的打印材料。在小批量产品的生产中，3D打印技术可以灵活选择各种打印方式，相对于传统的手工制造来讲，生产所需要的成本和时间也会有效降低。另外，小批量产品的生产中，借助3D打印技术可以完全忽略时间、空间、机床和模具等的因素影响，生产人员也可以按照用户的需求，随时调整生产计划或更改生产要求。

3 计算机辅助工业设计与3D打印技术的结合

根据以上内容可得出，计算机辅助工业设计与3D打印技术之间有着相互促进，相辅相成的关系。在工业产品设计中，首先，计算机辅助工业设计可以为3D打印技术提供必要的数据模型，而3D打印技术又可以将该模型变为设计人员所需要的实物，将二者互相结合，有利于将设计人员的创意变为更优秀的工业产品提供可能。当该产品满足设计要求之后，再投入到工厂中大批量生产，就可以快速占领市场，持续拥有该产品在市场上的份额。随着3D打印技术应用越来越广泛，现阶段，应用3D打印技术探索解决医学难题、改善居住环境，且已初见成效。

4 相关案例分析

根据相关文献资料显示，著名设计师郝建峰曾利用McNeel公司开发的R hinoceros软件和多边形建模插件T-spline设计制作了桃桃和花花两个吉祥物的模型[3]。首先利用计算机辅助设计制作桃桃和花花的二维效果图，如图1所示。这两个吉祥物分别是以桃子和桃花为原型进行设计。再借助T-spline的自由多边形建模功能，设计出吉祥物的身体部位，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，修饰模型的一些细节部分，完成整个数据模型的创建，如图2所示。然后再用STL格式将数据模型进行导出，与3D打印机相连接。在连接过程中，为了便于数据传输，可以选择国内研发的专业3D打印机，借助相应的配套软件实现打印功能。设计人员将打印尺寸等各个参数进行设定，操作鼠标之后，打印机就会执行命令，再通过逐层打印形式，逐渐将吉祥物打印成功。设计人员再通过简单的清理和修整，就会得到最终的吉祥物模型，如图3所示。在整个创作过程中，设计人员制作好各类模型，将设备进行连接之后就可以打印出产品，前后持续时间只有七天左右，并且成品质量较高。

5 结语

将计算机辅助工业设计和3D打印机技术互相融合，是工业设计领域发展的主要条件。随着工业设计领域的不断发展，计算机设备的不断完善，相信在未来，二者互相结合能够为工业设计提供新的发展方向，同时也能改善人们的生活，推动社会发展，推进整个人类文明的进步。