3D打印技术在设计成型工艺中的互动关系研究

■ 文 / 李广娟

《经济学人》杂志中提到，在某种程度上可以将3D打印技术看作第三次工业革命。随着信息时代的来临、科学技术的发展，这种分布式协同制造将取代当前的工业生产模式，数字化和实体产业间的互通会对相关产业的发展起到极强的促进作用。下文对3D打印技术的分类以及打印过程进行简要分析。

1 3D打印技术分类以及打印过程

1.1 3D打印技术的分类

当前市场中的主流3D打印技术有3DP立体平板印刷技术、SLA激光烧结技术等，但被广泛应用的却是较为简单的熔融沉积技术，也称作FDM技术。该技术操作难度较低，硬件成本也不高。例如，市面上较为常见的reprap3D打印机便是利用FDM技术制造的，并且由于FDM技术并没有专利方面的限制，在需要维修时很容易购买到对应的配件进行组装，这也是FDM技术应用广泛的核心原因。

利用3D打印技术所制造产品的质量基本上都是由打印机自身的质量决定的，如打印机自身的垂直度、对称性等参数指标。在3D打印机技术水平和打印出来的产品质量相差不大时，人们更偏向于选择FDM技术以及激光加工成型技术。

正是因为FDM技术无专利限制、硬件成本也不高，所以其制作精度较低，无法制作结构要求较强的产品，这便意味着FDM技术是为中低端产品制造而服务的，在加工ABS工程塑料等较为廉价的材料中应用较为广泛。这虽然是其广泛应用的核心原因，但也是制约FDM技术发展的主要原因。

激光烧结技术具有制作精度高的特点，可以打印一些结构要求较高的产品，对一些需要生产较复杂零部件的企业以及需要加工特殊材料的企业有较大帮助。正是因为该技术具有制作精度较高的特点，其相关设备成本较高，并且应用方向多为精密零部件制造。

从制造精度的角度来看，光固化技术处于FDM技术和激光烧结技术之间。这种设备的使用成本介于FDM技术与激光烧结技术之间，其利用的材料带有毒性，所以应用并不广泛。

除了上述三种3D打印技术，粉末喷头打印技术也是极为适合商业发展的。这种技术虽然制造精度不高，但能满足商用，并且所利用的材料十分环保，在粉末喷头的作用下，还可以根据使用者的需求调整打印颜色。当前市场中，很多企业就是利用该技术打印出卡通模型、三维人像等来吸引消费者。

1.2 打印过程

3D打印技术的打印过程大体上分为三步：建模设计、读取模型以及相关数据、完成打印。

在开始打印前，需要根据实际需求使用建模软件构建三维模型。当前市场中可以适配3D打印技术的建模软件种类较为丰富，如CAD、MAYA或EOSTATE等软件，其中CAD是设计行业最为基础的软件。另外，由于大部分3D打印机只能识别格式为STL的文件，所以上述几种建模软件在构建三维模型后还要将文件格式转换为STL。为验证三维模型的精度，可以对模型表面进行三角形切割，建模阶段的模型精度和三角形切片的大小有直接关系，三角形切片面积越小，则意味着建模阶段的建模精度以及分辨率越高。随着相关技术的不断发展，很多模型在创建阶段便可以直接利用3D扫描设备对实物进行扫描，直接在计算机中形成高精度、高指定性的三维模型。在构建三维模型后，就可利用3D打印机读取三维模型，开始打印产品。

通常，无论使用何种3D打印技术制作的产品精度都能满足民用精度需求，但FDM技术会导致曲面处较为粗糙，这是因为3D打印机的成型原理是沿着纵轴方向一层一层叠加，所以在各层的连接处都有可能存在间隙，导致产品的边缘会出现类似锯齿的不平整形状，也叫做毛边。针对此种现象，可以利用打磨抛光技术进行处理。以激光烧结技术或光固化技术为主的工业级别3D打印机则可以打印出精度极高的产品，在LAS切片处理方面甚至可以达到1毫米千等分标量。此精度意味着该类3D打印机可以完美处理产品的曲面，用肉眼或者触觉感受不到锯齿类形状，可以说是毫无痕迹。当前市场中，某公司的zpirint系列甚至可以直接打印玻璃圆珠。

2 3D打印技术在设计成型工艺中的互动关系

2.1 扩展设计范畴

工业设计的本质是对生活方式、当代文化的设计，对象可以是真实存在的物质，也可以是抽象的事物。具体来说，工业设计的范畴是为满足人们切实存在的需求，对产品、文化进行设计。由此可见，工业设计的范畴是客观的、具体的，不但需要从客户的需求来看，还要从企业的角度进行分析，对产品的实际造型、概念、结构以及功能等方面进行设计。3D打印技术的出现扩展了传统设计成型工艺的设计范畴，利用3D打印技术会直接影响设计成型工艺中的设计内容，扩展形态设计以及结构设计，深化设计学、工程学以及材料学。从客户以及企业的角度进行分析，设计成型工艺的宗旨是兼顾客户、企业以及设计师三方的要求，但在实际生产环节中该宗旨只是一种极为理想化的构想，在传统生产方式的影响之下，设计成型工艺基本上都是以批量生产需求为设计理念，而不能以设计师或者客户、企业的个人意志为设计出发点。虽然这种生产方式可以大幅度降低制造企业的生产成本，提高经济效益，但通常以大批量生产为主，很难满足客户的个性化需求。而批量化生产的局限恰好是3D打印技术的优势，3D打印技术在设计成型工艺中的应用优势便是可以实现个性化制造。

从产品造型、结构方面的设计范畴来看，设计师有时会迸发很多具有价值的灵感和创意，却因制造企业批量生产技术无法达到预期效果而不得不放弃。这便使得设计师的创意不能随心所欲，也不能以客户需求为导向对产品的形态、结构进行设计。在此种条件下培养的设计师也会逐渐被批量化生产技术所限制，从而丧失创新能力。3D打印技术在革新制造企业生产方式的同时也解放了从事设计成型工艺设计师的“枷锁”，利用该技术可以有效扩展形态、结构的设计范畴。此外，客户还可以对产品进行自定义，从而最大限度地提高客户的体验感。从该角度来看，运用3D打印技术进行小批量、低成本的生产正在融入人们的日常生活，改变了人们的消费方向。产品并不是仅仅用来欣赏的观赏品，而是需要具有与之相匹配的功能，不论设计师对产品进行了怎样的设计，其核心终归要使其具备其原有的功能，不能盲目地为结构、形态的美观而放弃其使用价值。产品的结构以及形态是使用价值的载体以及附属品，而3D打印技术成型的特性是从内至外开始打印，可以直接打印出产品内部的核心细节。所以，设计师在进行设计时，需要从内至外对产品进行一体化设计，将其使用价值和形态、结构的美观有机融合，从而最大限度满足客户的个性化需求。

从材料使用范畴方面来看，3D打印技术相关产业的发展，对材料行业产生了直接影响。众多企业都将重点放在了研发新型材料、设计不同材料之间的配比等方面，从该角度来看，3D打印技术在设计成型工艺中的应用在未来不仅可以打印大众材料，还可以打印生物材料，或者在打印芯片时直接将程序赋予其中，这使得设计师的设计更为自由，设计范畴也会进一步扩大。

2.2 革新设计流程、方法

在设计成型工艺的设计方法方面，传统产品的设计步骤有制定目标、对市场进行调研、开始设计、选择方案、实施、反馈、修改等环节。制定目标是整个设计成型工艺中的起点，设计师会以此为基础针对市场实际情况进行调研，再根据实际调研结果为后续的设计提供素材以及概念，再经过开会讨论确定设计方案，在实施过程中通常会利用小批量制造来获取反馈意见，最后根据反馈意见对设计方案进行修改以及补充，在解决设计成型工艺中的所有矛盾后才能正式投入生产。从上述分析可以发现，传统产品设计的流程较长，研发成本较高，虽然其容错成本也较高，但其效率极低。基于此，制造企业急需提高设计成型工艺的设计效率，尽可能同时开展流程中所涉及的环节，从而达到缩短设计成型工艺研发时间的目的。3D打印技术的应用，可以在设计流程的设计方案阶段直接将样品打印出来，并直接开展小批量生产，这便意味着直接进入了设计流程最后的反馈、修改阶段。与传统设计流程相比较，3D打印技术参与其中的并行设计方法有着极大的优势，不但可以最大限度降低选择方案、实施流程所耗费的时间，还可以使得设计成型工艺的研发团队在项目的最初设计阶段便可以参与其中，将项目中可能产生的问题尽早解决，不但能提高产品设计成型阶段的研发效率，还能尽快将产品推入市场，从而达到提高制造企业竞争力的目的。

在设计方法方面，3D打印技术更适合小规模的个性化制造，所以其在设计阶段具有一定针对性，在短时间内便可以确定客户的需求，在设计初期便可以直接运用3D打印技术将模型打印出来，让客户在第一时间拿到实物，并在实物的基础上提出修改意见，以便设计师对其进行改进。因为3D打印技术打印出的产品是由三维模型决定的，所以在修改时，设计师需要借助计算机软件对模型进行修改，这便意味着修改效率较高，在对一些结构、形态、功能要求不高的产品进行修改设计时，设计师可以快速上手。

2.3 对设计师有更高的要求

设计成型工艺设计师在此种新型生产模式中所发挥的职能不仅仅是设计师，而是需要发挥出销售、工程师、工人等多种职能。在3D打印技术下的设计成型工艺中，设计师需要具备传统产品设计流程中所有角色的能力，只有这样才能适应时代的发展。由于设计成型工艺较为复杂，尤其是将3D打印技术运用其中，所以设计师必须具备极为坚实的知识储备才能切实满足客户需求。在实践中，设计师需要具备以下三种能力：

（1）拥有多元化的知识背景。当前社会的发展是非常多元化的，这便意味着生产并不是单一的重复作业，机械化生产将代替那些重复性极强的岗位，要求设计师具有复合型的知识以及能力。如今，产业自身的实用性已经可以满足人们的日常使用，在此基础上人们对于外观、质感、舒适等方面都有了新的要求，所以设计具有交叉性极强的特点，并且社会各个行业之间的交融也在逐渐加深，随着科技的不断发展，设计成型工艺设计师所需要接受的知识种类也越来越多。设计是一门需要走在生产前列的行业，它不但要捕捉客户的真实需求和实际想法，还要根据客户的需求和想法创造出来。从该角度来看，设计师应吸收当前社会中的最新知识，如材料学、人机工程学、心理学或色彩学等，这些都是设计师应当了解的学科。随着信息化技术的发展，设计手段逐渐偏向信息化，利用计算进行辅助设计已成为设计成型工艺中的主流设计方法，所以设计师还应熟练操作渲染软件、平面软件等和设计相关的计算机辅助设计软件。根据上述分析，设计师只有尽可能做好知识储备才能顺应时代发展。

（2）要有开放式创意思维。在设计成型工艺中，由于3D打印技术的应用，产品成型方式和生产模式方面有了较大的改变，帮助设计师突破了传统技术的限制。基于此，设计师应突破自身的思维枷锁，放开想象，充分利用形象思维、逻辑思维以及、收敛、发散、联想、灵感思维等，设计出极具创意的产品。

（3）要有一定的美学素养。在传统的生产方式中，由于制造技术的局限，定制产品的成本极高，极大限制了设计师的发挥空间。3D打印技术的应用，不但精简了生产流程，还降低了生产成本，意味着可以有更多的人从事此项工作。在此种条件下，设计师要想提升自身核心竞争力，具备一定的美学素养非常必要。

3 结语

综上所述，随着3D打印技术的不断发展，以客户需求为中心的定制设计将不断被深化，可以预见此种模式日后会成为人们的消费趋势。3D打印技术在设计成型工艺中的应用，不但扩展了设计范畴，革新了设计流程、方法，还对设计师提出了新的要求。3D打印技术未来一定会发挥更大的优势和影响力，为我国制造业注入新的活力。