3D打印技术在设计中的应用与问题研究

◇畅婉君

3D 设计是新一代数字化、虚拟化和智能化设计平台的基础，是一种基于二维和二维设计的新兴设计方法，可以使设计目标更加立体化、形象化。1986年，美国发明家Charles Hull 发明了立体光刻技术，开创了3D 打印技术的发展创新。如今，3D 打印机使用增材制造的方法制造三维物体，以实现计算机辅助设计的三维形状。以3D 设计和3D 打印为代表的数字化制造提升了设计的自由度，扩展了设计的可能性，深受设计师和企业的喜爱。随着科技的发展，3D打印机未来的使用会爆发式增长，对3D 技术人才的需求也将逐渐显现。

一、3D打印技术

（一）增材制造技术

增材制造技术最初用于设计和原型制作部门，目的是形成用于加工的物理模型和主模型。增材制造技术是指基于离散—堆积原理，以零件三维数据为驱动，直接制造零件的科学技术体系。其技术是根据切片的数据（横截面形状）一层一层地分层创建物理模型。作为创建三维切片数据的一种手段，使用激光在液态光固化树脂上绘制横截面形状，被激光照射的部分会固化（液态树脂聚合成为固态树脂），在表面形成一层薄薄的液态光固化树脂，形成下一个横截面形状，重复此过程可以获得模型对象。

3D 打印的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国。1892年，J.E.Blanther 在其专利中建议使用分层制造法构成地形图，首创了增材制造原理。1980年，名古屋工业研究所的教授发明了光造型法，但并未用于实际。直至1988年，美国3D Systems 公司发布了世界第一台应用SLA 光固化成型技术的立体光刻商用机器，标志着增材制造技术通过3D 打印机开始实际应用。同年，美国人Scott Crump 发明了一种新的3D 打印技术——熔融沉积成型，通过从喷嘴中释放树脂并使其硬化的方法来创建模型。该工艺适合于产品的概念建模和形状与功能测试，并不适用于制造大型零件。

真正使3D 打印技术走向高潮的是2012年3月，为重振美国经济和美国制造业，当时的美国总统奥巴马提出建设全美制造业创新网络计划，并在总统任期内的国情咨文演讲中强调了3D 打印技术的重要性，赋予其制造业复兴的重任。随着该计划热度显著增长，3D 打印成为一个耳熟能详的名词，不仅为工业界的制造人员所熟知，也为普通大众所熟知。

3D 打印机是根据3D CAD、3D CG 等3D 软件制作的3D 数据，对断面形状进行层压，制作3D 模型的设备的总称。一般而言，普通打印机是将墨水喷射到纸张等平面上，以打印字符和图形。3D 打印机则是使用各种技术构建三维物体，再通过分层技法实现打印。例如堆叠熔化的树脂或通过用高功率激光照射粉末材料来烧结成型。

在增材制造方法中，由于三维物体的横截面形状是堆叠的，因此可以制造任何形状的物体。但与此同时，数据处理是必要的，建模后需要处理以切断支撑。接触形状的部分做得更薄，更易去除。除此之外，也有无须支撑体的方法，例如粉末层压法、薄板层压法和立体光刻法。加热光固化树脂并以溶胶状态（液体）将其涂敷以形成薄层，用紫外线照射物体使其固化，并依次重复此过程。最后，加热以冲洗掉未反应的光固化树脂成型。而这种未反应的光固化树脂可以重复使用。

（二）3D 打印机

3D 打印机没有明确的定义。在增材制造设备方面，高价机型通常是功能强、价格高的高端机型，反之低端机型是低价机型。3D 打印机作为3D CAD 输出机器，用以制造产品的概念模型。增材制造从一开始就是为了将3D CAD 设计的电脑显示器上的三维形状制造成实际模型。虽然可以将所有增材制造设备用作3D 打印机，但将数以百万的设备称为打印机太过奢侈。

除此之外，增材制造需要专人操作，虽然技术一直在改进，但对于产品的尺寸精度和外形品质的高需求，使得3D CAD 的设计人员提出了更高的需求，寻求一种可以更容易检查形状、低成本的设备。3D 打印机响应了这种需求，使设计人员可以提前确认形状，用以防止错误、提高工作质量。

二、3D CAD设计软件

（一）3D CAD

现在的3D 打印机主要是3D CAD 设计软件的输出机。在各个制造行业，3D CAD 软件已成为设计产品、工具和制造设备的公认媒介。在工业流程中，3D系统越来越多用于设计工厂和生产系统。

随着3D CAD 的出现，设计方法发生了显著的变化。在3D 出现之前，形状以二维形式表示，多为三视图（主视图、俯视图、左视图）。虽然直至今日，这种方法仍然被广泛使用，但是这种方法不能说是在三个维度上表示事物，只是对于作品或产品而言平面的3D 记录。但使用3D CAD 制图可以旋转和更改视点，使作品或产品更加直观和立体。

3D CAD 设计软件中，三维数字模型分为三种类型，即仅表示边缘的线框模型、通过定义面表示形状的曲面模型和描述实体的实体模型。其中，可通过增材制造生成的数值模型是曲面模型和实体模型。

3D CAD 可在计算机中创建虚拟3D 空间，根据输入数据形成3D 信息，并将其显示在监视器屏幕上。除了表达形状外，还可以在屏幕上输入、计算和反映体重和表面积等物理信息。

（二）3D CAD 带来的变化

设计的趋势随着时代的发展而变化。影响设计变化的原因有两个方面：一是当下社会的趋势，二是原材料及其加工方法。随着时间的推移，材料和加工方法不断发展，塑料加工方法被开发出来，所需的机器被制造出来，并且开始生产塑料产品。

未来的设计创新需要考虑软件、硬件和材料。3D CAD 最早用于飞机设计，极大地影响了人类的生活。现在，3D CAD 用于产品生产设计与模拟，以实现节省成本的目标。3D CAD 受到关注的另一个原因是增加了产品形状的复杂性。如果形状复杂，二维图形无法表示，但在计算机上可以完整表示。

从物体以3D 形式表示形状之后，设计者们开始使用该设计数据进行设计。像实物一样，使用计算机数据创建，并且在实际制作之前评估外观，这称为可视化。例如，在实际制造汽车之前，可以在计算机上设计它并更改颜色和照明。目前，多数公司都在使用这种方法，以节约设计时间和成本。

此外，人们现在已经设计出通过预先输入产品形状的定义（约束条件、期望的性能等），然后由计算机自动生成形状的系统。设计人员通过输入算法，可以获得计算机生成的3D 形状。这项技术现在多运用于建筑设计。

这样的变化对制造产品有何帮助？例如，设计一把椅子，如果将增加重量和强度作为这把椅子的限制，设计就会变得复杂。将约束和目标性能输入计算机后，就会出现满足强度的轻型设计，即可提出多个限制条件的设计。人们也可从中选择自己喜欢的设计。

（三）数字化发展

3D 打印技术与传统技术相比，优势凸显。数字化的成型技术可省去多种传统制造步骤。为了提高效率，拓宽设计空间，多数企业从传统的二维设计快速转向三维设计，特别是在汽车领域，使用曲面模型和实体模型的设计已经成为主流。对于设计成品的展示和研讨，则是以3D 数据的形式交换设计信息。在3D CG 中，曲面模型和实体模型已被广泛使用，最常见的使用3D CG 的行业是游戏、动漫、电影、特效、建筑设计、室内设计等。通过3D 设计软件建模，再进行素材设定等，可赋予游戏角色和画面更强的真实性和丰富性。除此之外，3D 摄影也以一种用CCD 相机拍照并将其转换为曲面模型的方法投入实际使用。

在国家重点机型研制中，中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院将全新3D 打印技术与3D 数字化技术相结合。飞机零部件从设计到打印成型，实现了操作流程化，大大缩短了开发生产周期，减少了焊接和装配工序，特别是克服了钛金属焊接腐蚀问题，不仅加工精度达到要求，而且材料的强度、韧性和抗疲劳性都较好。这在符合设计要求的同时，减少钛合金材料的使用，实现了能源节约。

三、3D技术人才的不足

随着3D 打印产业的发展和3D CAD 设计软件的广泛使用，3D 技术人才需求量也在逐年递增。3D 打印产业发展至今，已逐渐成长为能够满足工业生产要求、实现制造业转型的重点产业。3D 打印技术衍生的设计、材料、软件、数字制造等新型产业链正在逐步优化传统制造，构建新的制造生态系统。然而，在行业快速成长的同时，我国3D 技术人才建设的短板已成为行业突破更高水平的重要障碍。解决人才培养问题已成为行业发展的重中之重。

据相关机构统计，我国目前短缺的技术人才超过1000 万。其中，制造业对3D 人才的需求量最大，缺口约800 万人。与传统工业时代的工匠不同，数字时代的工匠既不是普通的技术人员，也不是科研人员。他们将3D 技术和数字思维应用到设计、制造、服务的各个环节，从而推动传统产业与互联网的融合、创新、转型升级。但目前很少有3D 技术人才能够将设计思想与技术结合起来，然后应用到实际生产中，这必然会影响未来3D 产业的发展和壮大。

四、3D打印技术发展对策

（一）建立学科教学

学习平台的建立是学科发展的基础，应加大力度开展3D 设计课程教育，特别是在高职院校开展3D CAD 的课程教学。制定专业的人才培养方案，引进3D 设计专职教师，购置3D 打印设备，整合学习资源，建立实训室和实训基地，将基础理论知识运用到实践教学中，培养同时具备3D 创新设计思维和3D打印技术的高技能应用型人才。根据当地企业的需求建立新专业，如动画设计专业、文创设计专业等。充分利用校企合作，使学生通过企业实习提前适应岗位和社会，能够发现问题、解决问题，具备更高的综合素质和更强的创新能力。

（二）增加专业赛项

在现有的工业与工程设计、数字建筑BIM 设计、企业命题等大赛的基础上，增加3D 创新大赛等。可融入当今社会流行的新媒体运营，开办微电影网络创意大赛，加速3D 产业链整合，推进制造业产业转型升级。通过增加3D 设计类型的比赛，为学校和企业之间搭建交流平台，以赛促产，以产带赛，达到产教融合的目的，最终促进3D 技术人才的培养。依托大赛平台，推动3D 打印技术的推广，引领创新型人才的培养，促进创新实习实践的落实。

（三）实施紧缺型人才扶持

相关部门应出台相关政策扶持人才培养，从政策创新突破和服务保障提升等方面实施一系列人才特殊支持举措。营造更加开放的人才引进环境，例如减税和就业落户等。积极推进专业型人才的就业专项行动，推动公益性人力资源免费服务项目落实，对专业技术人员职业技能提升提供补贴。

五、结语

随着3D 打印机的普及，低价产品广泛上市，多数企业都具备购买3D 打印机的能力，并将其应用于普通工作。3D 打印机的使用，终将像计算机使用文字处理来创建文档一样变得司空见惯，成为个人设备。着眼于3D 打印本身固然重要，但更重要的是3D技术人才的培养。针对专业型人才实际发展需求，加强校企合作，推动高职院校人才培养计划落实，出台相关政策予以扶持，才能促进3D 产业未来更好发展。