3D打印技术在玩具创新设计中的应用研究

摘  要：3D打印技术应用于玩具设计领域，能够有效解决目前玩具开发中遇到的难题，并为玩具的创新设计提供新的发展方向。3D打印技术在玩具创新设计中的应用研究根据3D打印技术的特点，分析3D打印技术在玩具设计中的技术优势，总结出3D打印技术对玩具设计不仅是设计方式的创新，更是玩具设计理念的创新，从玩具时尚造型、个性化定制、用户体验、可持续性四个方面，探讨3D打印技术在玩具设计中的创新应用。

关键词：3D打印;玩具设计;个性化定制;创造性游戏体验

基金项目：本文系上海应用技术大学校企重点课程建设项目“计算机辅助三维设计初步”（1011XQ211004-A22）阶段性研究成果。

随着人工智能、虚拟现实、5G等信息技术的不断发展，改变了人们的娱乐方式，对玩具市场产生了冲击。在消费结构升级的背景下，人们对玩具的需求更加注重以消费者个体为核心的深度诉求。消费者需求的变化倒逼市场寻求更加灵活的生产方式和更加新颖的产品样式，3D打印技术，成为玩具创新发展的新动能。世界著名玩具公司美泰、孩之宝、乐高也联手全球3D打印巨头公司研发3D打印玩具的商业应用。在我国，3D打印玩具的应用还处于初级阶段，但从长远发展看，3D打印技术为我国玩具的创新设计提供全新的发展思路。

一、3D打印技术应用于玩具设计的技术优势

3D打印技术，又称“增材制造技术”，是通过三维数字化模型，采用材料逐层累加的方式制造实体零件的技术[1]。近年来，3D打印技术已经在航空航天、汽车制造、生物医疗、教育教学、文化创意等领域进行了具有商业价值的应用，在玩具设计制造领域，3D打印技术不仅可以用于玩具的原型设计，还可以直接制造全新的玩具。

与传统工艺相比，3D打印技术应用于玩具开发设计的优势是开发周期短、加工成本低，能够实现个性化定制，而且节能环保。第一，3D打印数字化原型制造方案，简化了玩具设计流程，缩短了产品开发周期，加速了产品的更新迭代。更重要的是，3D打印技术不需要开模具，可以直接打印出玩具，基于PolyJet的全彩3D打印技术，能匹配指定的Pantone颜色，支持不同性能的材料同時打印，高效打印出具有丰富颜色、多层次质感且精致复杂细节的成品。第二，3D打印玩具造型更加丰富，能够制造复杂的结构。大部分传统玩具是塑料注塑工艺加工而成，但是注塑对复杂结构，尤其是壁厚不均的结构，容易导致塑胶件缩水、变形甚至破裂，而3D打印技术不会出现这个问题。3D打印适合打造薄壁和复杂几何结构，还可以实现一些免装配设计[2]的具有复杂机械原理功能的结构。第三，3D打印玩具能够实现按需生产，满足用户个性化定制需求。企业甚至可以先进行产品预定，再进行生产加工。第四，3D打印使用数字化文件，可以有效提高玩具在设计和生产环节的加工效率，不受空间和地域的限制，随时随地把玩具打印出来。

二、3D打印技术应用于玩具创新设计的意义

3D打印技术应用于玩具设计开发中，丰富了玩具创新的设计手段和设计方式，使设计师摆脱传统玩具制造工艺的束缚，为玩具创新设计提供了更广阔的设计空间。3D打印技术能够根据消费者多元化需求和市场变化及时进行产品迭代更新。与传统玩具设计方式相比，3D打印玩具不仅呈现形式更丰富，而且鼓励用户参与玩具的设计和创造的过程[3]，既能满足用户基于个性化特征的定制需求，又能在创造过程中增强用户的游戏体验。因此，3D打印应用于玩具设计不仅是技术方式的创新，更为玩具设计带来全新的设计理念。玩具创新设计不仅要诠释时尚和个性化理念，还要将用户创造性体验理念融入玩具创新设计中。3D打印技术赋予了玩具新的内涵，引领了一种全新时尚的娱乐方式。

三、3D打印技术在玩具设计中的创新应用

（一）基于时尚理念的玩具创新

玩具有时尚潮流产品属性[4]。一款玩具要脱颖而出，首要的设计策略必须是产品具有独特的个性，且能顺应时代潮流的发展趋势。时尚的理念体现了3D打印技术以独特的视觉形态带给用户独特的审美感受，同时也体现了现代技术融入传统文化的时尚表达方式。

1.突破传统玩具的造型设计

3D打印以数字化技术使玩具呈现出全新的形态和表现形式。参数化设计与3D打印技术完美结合，产品造型更具独特的形式美感和科技感，能够产生巨大的视觉冲击力，容易与用户产生情感共鸣[5]，还可以根据用户需求创造出无限可能。3D打印技术适合制造结构更复杂的玩具，例如总部位于纽约的Proxy设计工作室设计的一款具有球面齿轮结构的3D打印桌面玩具（如图1），旋转一个齿轮，能带动整个球体旋转，通过手的转动为使用者带来视觉和触觉的双重体验。

2.传承与发展具有传统文化内涵的玩具

从中国传统文化的视角切入3D打印玩具设计，能够为玩具的创新带来更大的想象空间和丰富的文化内涵。3D打印技术与中国传统文化融合，为玩具的创新设计带来新颖的内容与样式。其一，深入挖掘更广泛的中国传统文化元素，延伸玩具创意设计元素，以时尚的玩具为载体，更多承载并传播中国传统文化;其二，3D打印技术重新诠释出古老游戏的魅力，使其在审美层面有强烈的新鲜感[6]，又能借助3D打印技术多角度展现传统游戏。皮影戏是一种传统的民间戏剧形式，由于时代的变迁以及制作工艺难度大等多种复杂原因，皮影戏面临失传的危机。以皮影戏为主题元素进行玩具设计，结合3D打印技术，能够更加贴切地体现这门古老艺术的表现形式和制作工艺。运用3D打印制作皮影戏道具，一方面可以将传统皮影戏里的角色人物或道具进行再创作，注重对古老皮影文化时尚与现代的诠释;另一方面可以将复杂的皮影戏的制作工艺进行艺术化再设计，实现并拓展对皮影戏制作工艺的体验设计。3D打印技术融合中国传统文化应用于玩具设计，既能满足消费者对时尚国潮风玩具的强烈需求，又能让深厚的民族文化在游戏中得以传承和发展。

（二）基于个性化定制理念的玩具创新

传统的玩具设计主要是面向14岁以下的儿童，为儿童在不同成长阶段提供娱乐产品。在消费升级的背景下，玩具作为一种游戏娱乐的工具，不再是专属儿童的物品，而是面向更多年龄阶段的消费者以及残疾人等弱势群体。3D打印技术能够根据不同的消费群体以及群体中的个体需求，提供差别化定制设计，赋予玩具强大的生命力。

1.针对特殊群体进行玩具定制设计

3D打印为特殊群体进行个性化玩具定制，比如为盲童、自闭症儿童、老年人等开发玩具，具有重要的意义。对于特殊群体的玩具定制设计，坚持以人为本的设计理念，关注他们的需求，用玩具为他们营造一个愉快的生活氛围，可以让他们参与到有趣的玩具设计制造中。玩具在游戏中不仅能为他们提供教育和娱乐的体验，还能在游戏的过程中从精神层面使他们得到充分的满足。美国工业设计师Carlos Arturo Torres Tovar应用3D打印技术为残疾儿童设计了Iko创意假肢，儿童可以发挥想象定制专属的义肢。残疾儿童可以用喜欢的乐高积木组装自己的手臂，还可以自由组装出不同款式的手臂，家人也能参与设计和组装，制作出来的手臂不仅具有机械性能，还能通过编程拓展手臂运动功能，同时具有个性化特征。将义肢设计与玩具设计相结合，3D打印为儿童提供了无限多的可能性，在追求功能的同时，强调了儿童参与体验且享受与家人、朋友一起创造性解决方案过程的乐趣，帮助他们建立自信，更好地融入社会。

2.满足基于个性化需求的玩具定制

3D打印能够依据用户的不同需求進行玩具定制，用户也可以参与到玩具的设计定制过程，设计出具有竞争力的产品。3D打印玩具的个性化定制，既是对原有玩具的升级，又是对传统玩具的创新。目前3D打印玩具的个性化定制主要体现在以下几个方面：其一，用户依据提供的玩具的不同款式颜色、纹样等，配上个性化的签名或者图案，用3D打印制造一款与众不同的专属玩具。这种定制化思路扩展了玩具的应用领域，促成了玩具的跨界融合，为玩具创造了新的发展空间。其二，依据人体工程学，为用户进行真正的量身定制[7]。如利用3D打印技术为游戏用户制作更加符合手感操作的游戏设备，满足其对游戏舒适度的需求，增强游戏的体验感。以任天堂的Switch游戏为例，为了满足在不同情境下的游戏交互的需要，追求完美的游戏体验，用户可以通过3D打印技术打造个性化游戏配件，比如手柄支架、手柄外壳、充电底座、游戏操纵杆等，而且还可以针对残疾人特殊需求，为其设计单手操作的游戏手柄支架，解决他们不能使用手柄的问题。其三，利用3D打印技术定制玩具部件，用户可以发挥自己的想象力和创造力打印需要的玩具部件，满足其深度探索体验的需求，促进了玩法升级。

（三）基于创造性游戏体验理念的玩具创新

3D打印技术更新了传统的玩具观念，消费者不再是机械地“玩”玩具，而且能在游戏的过程中运用智慧灵活地“创造”玩具，注重创造性思维的开发和用户的参与性体验。

1.3D打印融合信息技术，开发开放性的智能玩具

新一代信息技术带动了玩具向智能化发展，将3D打印技术与信息技术相融合，有助于开发新颖且创造性强的玩具样式。利用3D打印技术制造玩具的外观造型，再与智能化电路结合进行玩具设计，为用户带来创造性体验。在教育领域，3D打印技术为STEAM教育带来更大的发展空间，3D打印STEAM玩具更符合儿童的认知特征，使他们在玩耍和创造的过程中获得知识。3D打印技术赋予用户更多的智慧化创造力，可以通过3D打印技术和开源硬件，不断探索和制造独一无二的玩具。因此，产生了新颖、互动性强且具有探索精神的开放性智能玩具，如3D打印儿童无人机、3D打印儿童赛车等，在享受亲手创作玩具带来愉悦感和成就感的同时，将创作者的情感注入玩具中，使科技化玩具更有温度。

2.注重用户参与性体验

3D打印应用于玩具设计中，提升了用户的参与感，增强了用户参与的主动性。美国玩具制造商美泰和欧特克公司还联合开发了一款可以打印玩具的3D打印机Thing maker，实现了在家就能制造玩具的梦想。用户在参与玩具设计的过程中，既是玩具的设计者，又是玩具的使用者，在使用过程中还可以将自己设计的玩具与其他玩家进行交流，用户此时成为了产品营销的媒介传播者。3D打印展现了以玩具为核心，以创造的体验方式感受乐趣，同时构建了同伴家长共同参与玩具制作的模式，通过共同参与和解决问题感受快乐，增强了情感互动。

（四）基于可持续发展理念的玩具创新

从可持续发展的角度来看，3D打印分布式智能制造模式[8]是一种可持续的生产方式。3D打印玩具更应该从产品创新设计角度出发，立足未来思考3D打印玩具的可持续性。首先3D打印玩具可以采用模块化设计，既方便拼装成不同的产品形态，又能根据用户需求灵活选用不同的功能模块，节省了不必要的消耗。对于传统玩具中大量使用木材制造的儿童拼图、积木玩具使用3D打印材料进行设计，可以尽可能减少资源浪费。其次，3D打印材料环保，被丢弃的3D打印玩具回收后可以再造玩具或用于制造其他产品。随着人们对3D打印玩具可持续性的认识，将会产生更具潜力的玩具创新形式或者商业模式。欧洲的一家3D打印公司推出了“Toy Rescue”玩具救援活动，用3D打印技术帮助用户修复损坏的玩具，以最快的速度保障用户的娱乐需求，减少了玩具丢弃对环境的影响。

四、结语

近年来，3D打印在打印材料、技术工艺、大规模量产等方面有了突破性进展，其创新技术可以弥补传统玩具制造的不足。虽然目前3D打印在玩具行业的应用还没有普及，随着消费者个性化定制需求以及不断发展的信息技术对玩具的影响，3D打印玩具的普及只是时间的问题。对于传统玩具企业，应该充分认识到3D打印技术为玩具行业带来的巨大机遇。3D打印发挥用户的想象力创造玩具，符合创新的时代背景，同时3D打印促使玩具在持续创新中融合更多的内容，拓展玩具的内涵并延伸玩具的领域，因此3D打印将成为玩具市场不可或缺的重要内容。将3D打印技术应用于玩具创新设计中，时尚的产品气质激活了玩具创新的活力，满足消费者的个性化定制赋予了玩具强大的生命力，创造性游戏体验提升了玩具的价值，可持续理念赋予了玩具更长久的生命力。探索3D打印技术和设计理念在玩具产品创新设计中的应用，为我国玩具的创新设计提供新的发展方向。

参考文献：

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013（4）：1-4.

[2]杨慧香，宋国亚，姜大伟，等.面向3D打印的复杂产品设计综述[J].现代制造工程，2016（11）：152-157.

[3]张浩.3D打印的文创产品设计定制化服务研究[J].包装工程，2019（14）：1-6.

[4]梁汉坤.展望玩具产业的增长动能和挑战[J].中外玩具制造，2020（1）：34-36.

[5]宋健.个性化需求下的产品参数化设计方法理论研究[J].家具与室内装饰，2018（5）：18-19.

[6]王开厅.基于3D打印的京剧脸谱IP衍生品设计探议[J].美与时代（上），2019（7）：97-99.

[7]陈聪.手工艺革命——造物视角下的3D打印[J].艺术评论，2017（6）：51-55.

[8]孟炯，郭春霞.3D打印分布式智能制造模式创新[J].软科学，2017（1）：39-43.

作者简介：高慧，硕士，上海应用技术大学讲师。研究方向：产品创新设计、计算机辅助工业设计。