增材制造技术在工业设计中的应用研究

摘要：主要探讨了增材制造技术在工业设计领域的应用及其潜在价值。通过对增材制造技术的原理、特点及在工业设计和制造中的应用进行实例分析，阐明了这项技术对工业设计效率、产品性能、制造工艺及设计创新能力的提升作用。研究结果表明，增材制造技术为工业设计领域提供了更多可能性，有助于实现设计的个性化和复杂化，推动工业设计的整体进步。

关键词：增材制造技术工业设计创新应用设计优化

中图分类号：G71

ResearchontheApplicationofAdditiveManufacturingTechnologyinIndustrialDesign

WANGBing

ShandongUniversityofArtandDesign，Jinan，ShandongProvjWl4LLqHA9lFyedgvcWg8iH4QXtSAXE04bSFNM31LtY=ince，250399China

Abstract：Thisarticlemainlydiscussstheapplicationandpotentialvalueofadditivemanufacturing（AM）technologyinindustrialdesign.Throughananalysisoftheprinciples，characteristicsandapplicationinindustrialdesignandmanufacturing，thearticleelucidatestheroleofAMtechnologyinenhancingindustrialdesignefficiency，productperformance，manufacturingprocessanddesigninnovationcapabilities.TheresultindicatesthatAMtechnologyprovidesmorepossibilitiesforindustrialdesign，promotingpersonalizedandcomplexdesignsandtheoverallprogressofindustrialdesign.

KeyWords：AMtechnology;Industrialdesign;Innovativeapplications;Designoptimization

增材制造技术是一种通过材料堆积进行成形的制造技术，它从三维数字模型数据出发，通过逐层堆积材料的方法制造三维实体。增材制造技术与传统的减材制造技术不同，增材制造技术无须去除多余材料，可直接从数字模型转换到三维实体。随着科技的飞速发展，增材制造技术作为一种新兴的制造技术，已从早期的原型制造逐步演变到现已能够直接进行批量生产[1]。增材制造技术以其独特的优势在工业设计领域引起了广泛关注。如何将该技术创新性地使用到工业设计中，是工业设计从业者所需把握的重要方向。

1增材制造技术的原理及特点

增材制造技术的核心理念在于“分层制造，逐层叠加”。在实际成形过程中，首先通过三维设计软件创建出所需产品的数字模型；随后利用特定的软件将该数字模型进行切片，形成一系列薄层，每层文件都包含了该层的形状等信息；然后增材制造设备（如3D打印机）根据这些文件信息逐层堆积材料，直至成形完成。增材制造技术实现了从点到线、从线到面、再从面到体的逐步构建过程。

增材制造技术主要包括粉末床熔融、材料挤出、光固化、定向能量沉积、黏合剂喷射和片材层压等。粉末床熔融使用激光或电子束将粉末材料逐层熔化并凝固；材料挤出则是将加热到熔化状态的材料通过喷嘴挤出并堆积；光固化利用紫外线激光逐层固化液态树脂；定向能量沉积将材料送入熔池并使用能源熔化堆积；黏合剂喷射则是通过喷射粘合剂将粉末材料逐层黏结；片材层压则是将片材逐层切割并黏合形成物体。这些工艺各有优缺点，适用于不同的应用场景和材料需求。总体而言，增材制造技术具有以下特点[2]。

（1）设计自由度高：由于采用逐层堆积的方式，增材制造技术能够轻松构建出复杂形状和内部结构的零件，突破了传统制造技术对于实体形状的限制。

（2）材料利用率高：增材制造过程中几乎不会产生废料，材料利用率远高于传统减材制造技术。

（3）制造周期短：增材制造技术无须复杂的模具和工装夹具，大大缩短了产品从设计到制造的周期，为设计从业者提供了全新的创意实现手段。

（4）个性化定制、小批量生产：增材制造设备通常较为紧凑，可轻松实现分布式制造和按需生产，能够满足个性化和定制化的市场需求，为小批量生产提供了便捷、高效的解决方案。

总之，增材制造技术作为现代工业领域的一项革命性技术，正在逐步改变传统的工业设计理念和工业生产方式。其高设计自由度和材料利用率、灵活、快速的特点使该技术在工业设计中具有独特的优势和应用潜力。增材制造技术也让工业设计师能够以前所未有的自由度进行创作，从而实现更加复杂、精细和个性化的设计，为现代制造业的发展注入了新的活力。

2增材制造技术在工业设计阶段的应用

在设计阶段，增材制造技术主要被用于快速原型制作和设计验证。传统的设计验证过程通常需要耗费大量的时间和成本来制作原型，而增材制造技术则能够在数小时或数天内以较低的成本制作出精确的原型。工业设计师可以利用增材制造技术快速打印出产品原型，进行装配测试、功能验证和用户体验评估，从而在设计阶段就及时发现问题并进行修改。这种快速原型制造的能力极大地缩短了产品开发周期，提高了设计效率。

随着消费者对产品个性化和定制化的需求日益增加，增材制造技术在工业设计中的应用也愈发广泛。传统制造方法往往难以实现小批量、个性化的生产，而增材制造技术则能够根据消费者的具体需求，通过调整数字模型修改设计，从而快速、准确地制造出定制化的产品。例如：在珠宝、鞋履、医疗器械等领域，设计师可以利用增材制造技术为消费者打造出独一无二的定制化产品。这种定制化的生产方式不仅满足了消费者的个性化需求，还为企业创造了新的市场机会和竞争优势。

3增材制造技术在制造阶段的应用

在传统工业设计中，设计与制造通常是两个相对独立的环节，设计文件往往需要经过转换才能在制造流程使用。然而，增材制造技术能够将设计数据直接转化为实体产品，省去了中间的转换环节，这不仅提高了设计效率，还降低了生产成本和风险。

另外，传统制造技术在加工具有复杂内部结构的零件时往往面临诸多困难，如模具制作、加工精度等，所以某些具有复杂内部结构的零件通常难以通过传统技术制造。增材制造技术具有通过逐层堆积材料的方式制造复杂结构和内部结构的独特能力，无须额外的模具和加工步骤。因此，在产品制造阶段，增材制造技术通常被用于直接制造最终产品或制造复杂结构零件。例如：在航空航天器的发动机制造中，增材制造技术可以实现复杂内部冷却通道的制造，提高发动机的燃烧效率，降低燃油消耗。而采用拓扑优化设计的增材制造结构件，可以在保证性能的前提下，大幅度降低结构件的重量。梦天实验舱的项目实现了增材制造技术从设计到制造的全流程应用[3]。随着技术的不断进步和成本的降低，从零件制造到整体结构打印，从地面试验到太空在轨制造，增材制造技术的边界将不断被拓展，为人类的太空探索事业带来更多的可能性。

增材制造技术支持多种材料的成形，包括金属、塑料、陶瓷等，还可实现多种材料的复合成形。这意味着设计师可以在同一产品中集成多种材料和功能，创造出具有独特性能和用途的产品。例如：在医疗器械设计中，可以利用多材料打印技术制造出具有不同硬度、弹性模量和生物相容性的部件，以满足医疗和患者的个性化需求。这种多材料打印与功能集成的能力，为工业设计带来了更多的创新空间和可能性。姚翔翔等人[6]深入研究了增材制造技术、材料科技与传统医疗护具设计的融合，创新设计并制作了一款兼具磁疗功能与高度定制化的增材制造腰部健康护具。该设计在个性化与适应性、艺术美感与实用功能、成本控制与制造效率之间找到了平衡，为可定制化医疗健康类产品的设计研发提供了新的启示和方向。

此外，增材制造技术还具有材料利用率高的优点。传统的制造方法往往会产生大量的废料，而增材制造技术则能够精确控制材料的使用量，减少浪费。这不仅有利于降低制造成本，还有助于实现绿色、环保的制造。高晖等人[5]提出了基于增材制造的复合材料尾门设计方法。通过增材制造技术实现复杂轻量化结构设计的尾门，不仅可以满足刚度、强度等力学性能要求，还可以使其比原有结构轻42%并有效降低了成本。该方法还可以为汽车其他零部件的轻量化设计提供借鉴。

4增材制造技术在产品创新与优化中的应用

增材制造技术的灵活性和可定制性为产品创新和优化设计提供了有力支持，也为设计师提供了更大的创作自由度。传统的制造技术往往受到加工工艺和成本的限制，难以实现一些复杂、个性化的设计。而增材制造技术则可以直接将三维数字模型制作成实体零部件或产品，无须复杂的加工工艺和模具，从而更加贴近设计师的想法。同时，增材制造技术还能够实现产品的轻量化设计，通过优化内部结构、减少材料用量等方式降低产品重量，提高产品性能和环保性，还能够实现多材料、多功能的集成制造，为产品创新提供了更多可能性。所以，设计师可以利用增材制造技术制作出具有创新结构和功能的产品原型，进行功能测试和验证。

增材制造技术还可以实现“数字化制造”。设计师可以通过三维数字建模软件设计出产品的数字模型，然后通过增材制造技术将其转化为实体产品。这种数字化的制造方式不仅可以提高制造精度，还可以大大缩短产品从设计到制造的时间周期。

此外，增材制造技术在造型表现方面的应用还体现在产品的细节处理上。由于增材制造技术可以逐层堆积材料，因此可以在制造过程中精确控制每一层的厚度、形状和表面粗糙度等参数，从而实现更加精细的产品造型。对于一些需要组装的产品，增材制造技术也可以制造出更加精确、稳定的零部件，提高产品的整体质量和性能。周秀梅[4]等人将增材制造技术引入焊接定位模板开发中，该方法开发周期短、精度高、强度好、操作简单，极大提升了人工操作便捷性。增材制造技术的应用将有助于在样车试制领域得到更广泛快速的应用与推广，进一步提升焊点位置的合理性，保证试验车辆的合格焊接质量，以便更好地验证车辆的行驶安全等性能。

由于能够精确制造复杂形状的电池结构，增材制造技术已成为固态电池设计制造领域的新技术方向。何天贤等人[5]深入探讨了增材制造技术在固态电池设计和生产中的关键应用，包括墨水直写、熔融沉积以及选择性激光烧结等多种技术。随着打印技术和材料的不断进步，预计未来将出现具有长期耐用性、良好安全性和高能量及功率密度的增材制造固态电池，为未来的能源储存和利用带来革命性的变革。

总之，增材制造技术在工业设计造型表现方面的应用为设计师提供了更大的创作自由度和更高的制造精度，有助于实现更加复杂、个性化的产品设计，并推动工业设计的不断创新和发展。

5增材制造技术促进协同设计与全球制造网络

利用互联网和云技术，设计师可以在全球范围内进行协同设计，共享设计资源和经验。而增材制造技术的分布式制造特点使产品可以在全球范围内的制造中心进行打印和组装，实现全球制造网络的构建和优化。这种协同设计和全球制造网络的发展，不仅提高了工业设计的效率和质量，还为企业提供了更加灵活和多样化的生产方式和市场机会。

综上所述，增材制造技术在工业设计中的应用已经渗透到各个方面，从设计与制造的紧密结合到多材料打印与功能集成，再到生物医疗领域的应用、绿色制造与可持续发展以及协同设计与全球制造网络的发展等。这些应用不仅改变了传统工业设计的方式和流程，还为产品创新、市场竞争和可持续发展带来了新的机遇和挑战。

6结语

本文通过对多个典型案例的分析，系统探讨了增材制造技术在工业设计领域中的创新应用。研究发现，增材制造技术不仅能够更新设计理念、优化产品结构，还能提升产品性能、简化制造流程，为工业设计领域带来了革命性的变革。未来，随着技术的不断进步和市场的日益拓展，增材制造技术在工业设计中的应用将更加广泛和深入。

参考文献

[1]卢秉恒.增材制造技术：现状与未来[J].中国机械工程，2020，31（1）：19-23.

[2]熊孟瑛璟.3D打印在产品设计中的应用分析[J].陶瓷科学与艺术，2021，55（10）：11-12.

[3]徐磊，柏合民，常世杰，等.3D打印技术在空间站梦天实验舱上的应用[J].上海航天（中英文），2023，40（6）：100-104，135.

[4]周秀梅，高志刚，张灏辰.3D打印技术在样车试制车身焊接模板中的应用[J].时代汽车，2019（20）：84-85.

[5]何天贤，刘文杰，雷源春.3D打印在固态电池中的应用[J].能源工程，2023，43（6）：37-43.