賴詩卿

關(guān)鍵詞：3D 打印技術(shù);產(chǎn)品設(shè)計;運用

1 3D 打印技術(shù)概述

3D 打印技術(shù)是指根據(jù)產(chǎn)品模型三維空間的情況，用材料將模型一層一層堆積而成的工藝，又稱為增材制造。根據(jù)選用的材料和成型工藝的不同，可以分成熔融沉積工藝（FusedDeposition Modeling，F(xiàn)DM）、液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（Selected Laser Sintering，SLS）等常見的幾種類型。

1.1 熔融沉積工藝（FDM）

熔融沉積工藝沒有用計算機控制激光能源，使激光將液態(tài)光敏樹脂或者粉末狀的材料固化，而是將各種絲材（如聚碳酸酯PC、工程塑料ABS 等）加熱熔化進而堆積成型的方法。FDM 相比較而言，加工的成本比較低，所用的材料是環(huán)保材料，不產(chǎn)生廢料和有毒物質(zhì)，對于加工環(huán)境要求不高，但是其加工的精度比較低，導(dǎo)致零件比較粗糙。

1.2 液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）

液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝是一種最常見的3D 打印成型工藝，激光在計算機的控制下對液態(tài)光敏樹脂按照零件的分層截面的輪廓為軌跡進行逐點掃描，被掃描截面的光敏樹脂和激光產(chǎn)生聚合反應(yīng)，從而形成薄層截面。當一層截面固化完畢，升降臺自動向下移動，依照相同的原理形成零件的另一層截面，同時刮板刮去多余的固化樹脂，激光束還會對形成的截面之間進行掃描，使得兩層截面之間牢固地粘合在一起，重復(fù)前面的工序直至完成整個零件在樹脂槽內(nèi)的固化。SLA 適合加工結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜且體積小、造型精細的產(chǎn)品。其模型的形成過程可以在自動化的環(huán)境中進行，模型表面處理精度高，尺寸誤差小[1]。

1.3 粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）

粉末材料選擇性燒結(jié)工藝和液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝的原理有許多共同之處，同樣是將工件的切片在激光的作用下對切片的輪廓逐層固化，不同之處在于SLS 采用的材料不論是金屬還是塑料事先都要形成粉末狀，將粉末材料固化成固體性質(zhì)。SLS可以使用的材料比較廣泛，包括金屬和陶瓷等，同時因為其成型的時間短，精度高，并且可以完成不同性能的合金材料，在工業(yè)領(lǐng)域得到了極大地運用。

2 3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的運用思路

2.1 3D 打印技術(shù)在樣品模型中的運用

2.1.1 樣品模型的快速成型

在市場調(diào)研后，確定了消費者的需求，根據(jù)設(shè)計方向繪制產(chǎn)品的草圖、效果圖。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計根據(jù)效果圖做產(chǎn)品的實物手板來進一步驗證產(chǎn)品的缺陷和不足，針對缺陷進行改進，直到不能從個別的手板中找出不足。但是手板是人為手工的制作或者在半自動化的過程進行的，需要耗費大量的時間和精力，制作過程復(fù)雜，手板模型還會出現(xiàn)較大的精度誤差。

3D 打印技術(shù)改善了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的弊病，在模型的制作中可以快速獲得立體模型，使得設(shè)計師可以高效地查看模型結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和驗證功能部件正常運行，在評估和驗證之后并作出有效地調(diào)整，相較于傳統(tǒng)的手板制作降低了模型制作的難度，提高工作效率[2]。3D 打印技術(shù)在計算機輔助下可以提高產(chǎn)品模型的精度，尤其適用于高精度模型的制作。

2.1.2 過濾性與驗證性的創(chuàng)新過程

設(shè)計想法形成的過程是不停地探索和反復(fù)地過濾，直到最終想法的形成（如圖1）[3]。產(chǎn)品需要打磨，不僅僅包括模型本身，還打磨想法和創(chuàng)意，手板模型耗費巨大的精力，而3D 打印技術(shù)卻能夠快速形成樣品模型，這樣在創(chuàng)意轉(zhuǎn)瞬即逝的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的過程中能夠迅速抓住迸發(fā)的想法。

在產(chǎn)品開發(fā)的生命周期中，從產(chǎn)品需求到消費者手里的具體產(chǎn)品甚至是回收的過程中并不是一個正向的順暢的過程，有的時候會在某個環(huán)節(jié)停止，然后往回推導(dǎo)的反復(fù)驗證的過程，這種過程是常見的，3D 打印技術(shù)為這種常見的過濾性與驗證性的過程提供高效的可能性。

產(chǎn)品設(shè)計在新產(chǎn)品開發(fā)過程中有兩個重要的階段，第一階段是設(shè)計產(chǎn)品的外觀，包括造型、材料、色彩、肌理等，第二階段是產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過卡扣、限位、螺絲柱等來實現(xiàn)產(chǎn)品運行的可能[4]。盡管可以在計算機中預(yù)覽產(chǎn)品的模型、部件的性能分析和材料可行性。3D 打印技術(shù)的成品模型仍然能夠在現(xiàn)實中直觀地展示各部分零件之間的相互作用，看到產(chǎn)品的外觀造型，驗證各個部件之間安裝拆解的可能性。

在產(chǎn)品需求、方案效果圖、材料工藝顏色選擇、模型樣品制作的產(chǎn)品開發(fā)周期中，可以在每個環(huán)節(jié)進行開發(fā)的驗證或者在前面的環(huán)節(jié)重新推導(dǎo)。因為樣品模型的成型時間大大縮短，從而提高了研發(fā)的效率。

2.1.3 釋放想象的空間

在新產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的階段，設(shè)計師要應(yīng)付產(chǎn)品需求下的方案制作，效果圖呈現(xiàn)和模型的制作，傳統(tǒng)的手板模型需要設(shè)計師手工或者在半自動化的環(huán)境下制作，極大地耗費了精力，然而3D打印技術(shù)能夠快速形成樣品模型，設(shè)計師能夠?qū)⒏嗟木Ψ旁诋a(chǎn)品外形和創(chuàng)意功能的實現(xiàn)上[5]。設(shè)計師并非只依靠個人的力量，而是在設(shè)計活動中扮演組織者的角色，創(chuàng)新有時候往往是在高效協(xié)作和輕松愉快的環(huán)境中產(chǎn)生的。

3D 打印讀取的是.Stl 格式文件，.Stl 文件格式的模型是由三角形的網(wǎng)格組成的[6]。三角形的網(wǎng)格越小，打印模型的精度越高，這樣為模型的精密結(jié)構(gòu)和細微的表面表現(xiàn)提供了可能，在復(fù)雜的造型上，尤其在曲面制作和紋理的加工，手工制作往往比較難以實現(xiàn)，3D 打印技術(shù)的高精度模型是設(shè)計師想象空間的外延，幫助設(shè)計師由想象的產(chǎn)品變?yōu)楝F(xiàn)實。

2.2 3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中的運用

3D 打印技術(shù)是將材料逐層打印疊加的方式形成模型，稱之為“增材制造”，相比較于傳統(tǒng)切、削、車、銑、磨，將部件的材料去除的“減材制造”加工工藝，節(jié)約了生產(chǎn)的成本[7]。

加工成品的過程中根據(jù)部件材料的性質(zhì)選用不同的加工工藝，金屬、木材等需要刀具的切削、轉(zhuǎn)孔或者機器的沖壓，塑料、陶瓷、玻璃等需要用到模具成型。在產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)中，模具的加工需要較多的人力、物力和較長的周期，3D 打印技術(shù)的“增材制造”方式省去了模具的開發(fā)和制造的環(huán)節(jié)，根據(jù)三維模型進行逐層打印，實現(xiàn)了生產(chǎn)材料的“零”浪費[8]。

2.3 3D 打印技術(shù)在零部件維護中的運用

在產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的階段，根據(jù)市場情況，可以加工生產(chǎn)多余的零部件來滿足未來產(chǎn)品容易壞損的部分。但是因為千變?nèi)f化的市場情況和企業(yè)成本的考慮，產(chǎn)品零部件有時候需要在維修和售后得到解決，3D 打印技術(shù)的靈活性和便捷性可以解決快速形成零部件的問題。產(chǎn)品需要維修的時候，消費者可以針對產(chǎn)品的某個部分零件進行拆除，然后利用3D 打印技術(shù)的快速成型技術(shù)增加改善破損的零件，相比較于傳統(tǒng)的批量化生產(chǎn)，不會因為數(shù)量極低的部件而重新開啟一條生產(chǎn)線，從而極大地浪費了企業(yè)的成本。

3 結(jié)語

科技的進步帶動制造業(yè)的發(fā)展，為人類的生活帶來了便利，設(shè)計、科技、人文相互作用，相輔相成。3D 打印技術(shù)的發(fā)展影響了產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)，使得設(shè)計開發(fā)的過程中模型樣品得以快速成型，擺脫了復(fù)雜的、耗費時間的手板制作，在消費者需求、草圖方案到直觀的產(chǎn)品模型等各個環(huán)節(jié)進行過濾與驗證，以求設(shè)計出最接近消費需求的產(chǎn)品，釋放設(shè)計師的想象空間，加快了研發(fā)的進度和成效，加強了產(chǎn)品的創(chuàng)新。從企業(yè)自身出發(fā)，在產(chǎn)品生產(chǎn)的階段省去了模具開發(fā)制作，并且可以在短期時間內(nèi)補充維修和售后環(huán)節(jié)中個別零部件替換的問題，省去了企業(yè)生產(chǎn)的成本，提高了效益。