張馳，高歆妍

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

0 引言

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它用塑料、粉狀金屬等材料以逐層堆積的方式制造出物品，區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造”，是一種新興的快速成形技術(shù)。3D打印技術(shù)自從20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來就備受各國(guó)、各領(lǐng)域的重視，尤其是在以制造業(yè)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)。

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，隨著3D打印技術(shù)精度、速度飛快進(jìn)步的同時(shí)，該技術(shù)依托于互聯(lián)網(wǎng)，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變革，這種變革也隨著不斷涌現(xiàn)的新型產(chǎn)品深切地融入了我們的生活。

針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)來說，3D打印技術(shù)優(yōu)化了產(chǎn)品的整體開發(fā)流程，使設(shè)計(jì)過程更加平行化。該技術(shù)滿足了新時(shí)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)師思想以及精神上的需求，突破了傳統(tǒng)加工方式的諸多限制。3D打印技術(shù)也在一定程度上改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)在社會(huì)中的運(yùn)作方式，使其變得更具有社會(huì)性、大眾化。

在國(guó)內(nèi)，也有一些學(xué)者針對(duì)3D打印技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的影響進(jìn)行了研究與探討，比如：來自南昌大學(xué)的肖麗等人以老年人的心理、生理需求為基礎(chǔ)，以適老化居家產(chǎn)品的開放設(shè)計(jì)為媒介，與3D打印技術(shù)結(jié)合起來，最終研究出一套新的基于3D打印技術(shù)的老年人產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)；來自湖北工業(yè)大學(xué)的王欣等人也基于現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品對(duì)不同類型三維數(shù)字化模型進(jìn)行了造型工藝合理性的研究，并根據(jù)FDM型3D打印機(jī)的特性提出了不同支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。以上研究均給3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)中的應(yīng)用提供了非常有益的幫助。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)3D打印技術(shù)的需求

1.1 設(shè)計(jì)思想上的需求

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)主要是受工業(yè)革命以來大規(guī)模、大批量生產(chǎn)的制造方式以及包豪斯等一批先進(jìn)的設(shè)計(jì)教育組織、設(shè)計(jì)團(tuán)體所倡導(dǎo)的簡(jiǎn)約功能主義思想所影響，這導(dǎo)致產(chǎn)品在適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的過程中，往往會(huì)降低產(chǎn)品自身的個(gè)性，最終導(dǎo)致產(chǎn)品之間的差異性越來越小。設(shè)計(jì)往往是互通的，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域剛一收到簡(jiǎn)約功能主義影響時(shí)，這股設(shè)計(jì)潮流便很快延伸到建筑行業(yè)中去。所以這也導(dǎo)致從十九世紀(jì)末到當(dāng)代時(shí)期，世界各地的城市天際線，建筑風(fēng)格變的越來越統(tǒng)一，也越來越缺乏個(gè)性。在各地區(qū)、各民族的個(gè)性趨同的背景下，人們個(gè)性化表達(dá)的要求越來越強(qiáng)烈，人們對(duì)地區(qū)和民族文化的多樣性進(jìn)行發(fā)掘運(yùn)用的欲望也越來越濃烈[1]。

在這種情況下，傳統(tǒng)的制造方式在某種程度上已經(jīng)不適合人們個(gè)性化的需要。而以3D模型為基礎(chǔ)，通過自下而上逐層加工的3D打印技術(shù)則可以使人們對(duì)個(gè)性化設(shè)計(jì)的訴求成為現(xiàn)實(shí)。最突出的例子就是在各大電商平臺(tái)上爆火的“3D打印工坊”，此種工坊的運(yùn)營(yíng)理念就是以3D模型為基礎(chǔ)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念和發(fā)達(dá)的物流系統(tǒng)結(jié)合而引起的云創(chuàng)意、云設(shè)計(jì)、云制造、云銷售為思想指導(dǎo)，以3D打印技術(shù)為依托，根據(jù)用戶不同的需求來進(jìn)行個(gè)性化的定制。這種以C2C（Consumer To Consumer）模式運(yùn)營(yíng)的3D網(wǎng)上打印平臺(tái)，不僅可以滿足人們個(gè)性化的要求，而且也可以有效利用目前網(wǎng)上現(xiàn)有的一些無人問津的3D模型資源，并將其與用戶層進(jìn)行有效整合，釋放出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

文化具有多樣性、民族性、豐富性，文化的基本特性保證了社會(huì)中人們都是個(gè)性化的。因此，隨著社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)流通的產(chǎn)品也將緩步從大機(jī)械化、大規(guī)模生產(chǎn)方式生產(chǎn)出的萬人一式的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)楦觽€(gè)性化的、小規(guī)模定制的、以3D打印制造技術(shù)為驅(qū)動(dòng)力的一人一式，甚至是一人多式的產(chǎn)品。

1.2 設(shè)計(jì)流程上的需求

相對(duì)于傳統(tǒng)的制造方式，3D打印技術(shù)在空間上和時(shí)間上更加具有靈活性，增材制造的加工方式和傳統(tǒng)的以車、銑、刨、磨為基礎(chǔ)的機(jī)加工比起也是大相徑庭，所以3D打印技術(shù)不僅可以為產(chǎn)品的造型帶來更多可能性，也可以與產(chǎn)品開發(fā)過程中各設(shè)計(jì)流程相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟，使設(shè)計(jì)時(shí)各流程變得更加平行化，從而可以使企業(yè)以最快速度和最低資源消耗獲得及時(shí)的市場(chǎng)反饋，占據(jù)大量用戶資源。所以研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的各個(gè)流程與3D打印技術(shù)結(jié)合的方法是非常具有戰(zhàn)略意義的[2]。

1.2.1 概念設(shè)計(jì)階段——使設(shè)計(jì)者進(jìn)行更有效率的迭代設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研后，會(huì)將自己一系列的設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)在二維圖紙上，然后根據(jù)最終選擇的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案去制作木塑件或油泥模型，進(jìn)而通過油泥模型進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上再進(jìn)行產(chǎn)品的迭代設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者為了達(dá)到更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品經(jīng)常要進(jìn)行多次迭代，在這個(gè)過程中，設(shè)計(jì)者不僅要付出大量的時(shí)間和精力去更改產(chǎn)品的樣板件，而且因?yàn)楫a(chǎn)品樣板件的材料、精度、質(zhì)感、觸感等與預(yù)先設(shè)置的產(chǎn)品概念有較大的出入，所以設(shè)計(jì)者之間針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)想法的有效交流往往被現(xiàn)有模型條件限制住了。因此，產(chǎn)品手制樣板件的缺陷會(huì)直接影響產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

而3D打印技術(shù)的特性可以有效的解決設(shè)計(jì)者在迭代設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題。首先，3D打印機(jī)的制作精度高、靈活性強(qiáng)，它可以在保證精度的情況下快速制造出產(chǎn)品的模型樣件，這極大地減少了設(shè)計(jì)者在制作產(chǎn)品樣板件時(shí)花費(fèi)的大量時(shí)間和精力。其次，3D打印機(jī)具有材料多元性，而且它使用自下而上逐層打印的方式，基本可以無視產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，這使設(shè)計(jì)者可以針對(duì)產(chǎn)品的樣板件進(jìn)行多角度測(cè)評(píng)，從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)再到觸感、精度，3D打印機(jī)都可以全方位的提供給設(shè)計(jì)者，使設(shè)計(jì)者進(jìn)行更有效率的迭代設(shè)計(jì)。

1.2.2 產(chǎn)品工程測(cè)評(píng)階段——使產(chǎn)品功能原型件的測(cè)評(píng)結(jié)果更加真實(shí)

一些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中總要對(duì)模型產(chǎn)品進(jìn)行不斷的靜、動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)干涉檢查、人機(jī)工程測(cè)評(píng)、機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)等工程測(cè)試和性能評(píng)價(jià)，以免投產(chǎn)后人們使用過程中出現(xiàn)因工程質(zhì)量引發(fā)的危害，從而造成嚴(yán)重的人員、經(jīng)濟(jì)損失。

在傳統(tǒng)制造業(yè)，工程測(cè)評(píng)過程往往使用軟件或者產(chǎn)品手制模型，但因?yàn)榇蠖鄶?shù)理型的模擬材料與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)所使用的材料存在較大差異，所以導(dǎo)致虛擬模型模擬出來的效果總是帶有一定的偏差，而使用合適的3D打印技術(shù)就可以根據(jù)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段時(shí)的預(yù)估材料生產(chǎn)出產(chǎn)品的模型樣件，例如：使用SLS工藝可以使用金屬粉末加工出強(qiáng)度較高的模型樣件，而FDM工藝則可使用PVC或ABS材料生產(chǎn)出塑料質(zhì)感的產(chǎn)品。使用實(shí)體的產(chǎn)品樣件就可以在工程測(cè)評(píng)過程中對(duì)各類數(shù)據(jù)產(chǎn)生更加直觀的反饋，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，規(guī)避產(chǎn)品因測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤產(chǎn)生的問題，提高產(chǎn)品生產(chǎn)成功率，并方便設(shè)計(jì)師針對(duì)問題進(jìn)行進(jìn)一步地修改。

1.2.3 產(chǎn)品批量生產(chǎn)階段——根據(jù)市場(chǎng)進(jìn)行最后的產(chǎn)品自檢

一款產(chǎn)品的命運(yùn)是由市場(chǎng)決定的，公司的利潤(rùn)也是由顧客和產(chǎn)品質(zhì)量來決定的，在當(dāng)今多數(shù)公司都以TQM（Total Quality Management）戰(zhàn)略來進(jìn)行市場(chǎng)份額的搶占過程中，以顧客為中心、以產(chǎn)品質(zhì)量為驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的第一要?jiǎng)?wù)，而依靠于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品快速原型制造工藝則可以大大優(yōu)化TQM戰(zhàn)略中PDCA循環(huán)中D(Do)階段和C（Check）階段流程。

在傳統(tǒng)制造業(yè)中，當(dāng)一件產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，產(chǎn)品就該走到了模具開發(fā)階段。但是模具的開發(fā)動(dòng)輒數(shù)十上百萬，而且往往還會(huì)面臨著因?yàn)楫a(chǎn)品不符合市場(chǎng)需求，需要對(duì)原型產(chǎn)品進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致開模不當(dāng)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)。而3D打印技術(shù)的到來，使設(shè)計(jì)師可以先利用3D打印技術(shù)小批量打印出產(chǎn)品的工裝模具或者是注塑模具，然后小批量生產(chǎn)，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，使企業(yè)在C階段可以更早、更全面的發(fā)現(xiàn)問題，最后在市場(chǎng)認(rèn)可的情況下進(jìn)行開模制造，這可以使公司損失降到最低，并且也可以為后續(xù)的A階段打下良好基礎(chǔ)，使企業(yè)在經(jīng)濟(jì)損失最小情況下發(fā)現(xiàn)更多產(chǎn)品優(yōu)化方案。

1.2.4 平行化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)平行化是指，在設(shè)計(jì)過程中，多個(gè)設(shè)計(jì)流程可以并行進(jìn)行，在傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)流程往往缺少靈活性，它是從產(chǎn)品概念到產(chǎn)品的CAD模型，再到產(chǎn)品檢測(cè)和加工生產(chǎn)的過程，是一種較為傳統(tǒng)的串行工程。而在三維打印技術(shù)地幫助下，可以使傳統(tǒng)的以串行工程為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮殪`活、更適合產(chǎn)品開發(fā)、以并行工程為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。

在以并行工程為基礎(chǔ)的產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)師可以在原型產(chǎn)品CAD模型的基礎(chǔ)上做改動(dòng)，不斷進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，快速生產(chǎn)出一系列的樣板件。這時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師就可以根據(jù)需求不斷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)、迭代設(shè)計(jì)，在平行化設(shè)計(jì)的過程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以更快速、更全面地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和資源。

1.3 設(shè)計(jì)造型上的需求

增材技術(shù)的發(fā)展不僅突破了傳統(tǒng)工業(yè)大規(guī)模、大機(jī)械化生產(chǎn)的限制，由于它自上而下逐層加工的特性，所以這種技術(shù)可以無視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多樣性，直接生產(chǎn)出各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，真正達(dá)到自由制造——即可以制造出任何的三維物體。3D打印技術(shù)帶來的自由制造特性也給設(shè)計(jì)行業(yè)打開了新的大門，設(shè)計(jì)者在創(chuàng)造過程中可以把更多精力集中于產(chǎn)品的造型、用戶的體驗(yàn)上，從而較少受到產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、加工方式的限制，使設(shè)計(jì)師能夠進(jìn)行更加自由的設(shè)計(jì)創(chuàng)造活動(dòng)。

圖1 傳統(tǒng)的串行工程開發(fā)模式

圖2 可以和3D打印打印技術(shù)相結(jié)合的并行工程開發(fā)模式

如圖3所示，作者以傳統(tǒng)叉架類結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品零件為例，對(duì)其傳統(tǒng)的加工工藝和以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的快速成形加工工藝進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

圖3 傳統(tǒng)制造工序和3D打印工序的對(duì)比

在傳統(tǒng)機(jī)械加工制作方法下，針對(duì)一組復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零件，設(shè)計(jì)師經(jīng)常要考慮它的裝配、加工方法，在加工、裝配等事宜考慮得當(dāng)后，設(shè)計(jì)師才能交給工廠對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行逐個(gè)加工。而如果依靠3D打印技術(shù)增材制造特性，設(shè)計(jì)師便可以在身邊快速的、一體化的制造出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，再簡(jiǎn)單地去除毛刺后即可使用。

2 3D打印技術(shù)可能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)產(chǎn)生的影響

2.1 社會(huì)性設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)使設(shè)計(jì)領(lǐng)域變得更加開放、更加多元。在傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)出的產(chǎn)品中，萬人一式的產(chǎn)品不能滿足每個(gè)人的獨(dú)立性格要求，所以經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品與消費(fèi)者需求割裂的現(xiàn)象?，F(xiàn)代很多產(chǎn)品是與消費(fèi)者的使用場(chǎng)景、使用習(xí)慣不匹配的，而3D打印技術(shù)的推廣，使消費(fèi)者也擁有了變成設(shè)計(jì)師和制造商的機(jī)會(huì)，消費(fèi)者在3D打印時(shí)代可以自己設(shè)計(jì)并且生產(chǎn)出自身需要的生活用品，從而變成“生產(chǎn)消費(fèi)者”。這種生產(chǎn)與消費(fèi)地位的轉(zhuǎn)變會(huì)使產(chǎn)品更加個(gè)性化，更加以人為本。而“生產(chǎn)消費(fèi)者”這一社會(huì)群體的產(chǎn)生，也將使產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)變成一種社會(huì)性活動(dòng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，和國(guó)家大力倡導(dǎo)的‘互聯(lián)網(wǎng)+’產(chǎn)業(yè)模式的產(chǎn)生，云創(chuàng)意時(shí)代已經(jīng)到來，而結(jié)合云創(chuàng)意和具有優(yōu)勢(shì)的3D打印技術(shù)，勢(shì)必會(huì)催生出一種以3D打印技術(shù)為技術(shù)支持的云制造產(chǎn)業(yè)。在云制造、云創(chuàng)意、云銷售的影響下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)更將從集約化、小群體性活動(dòng)轉(zhuǎn)型成為社會(huì)性的大眾活動(dòng)。

2.2 設(shè)計(jì)教育

目前已經(jīng)有一些國(guó)家和地區(qū)將3D打印技術(shù)推廣到了基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，例如在中國(guó)上海市靜安區(qū)的青少年活動(dòng)中心就配備了一些3D打印機(jī)，供學(xué)生們使用，打印學(xué)生自己設(shè)計(jì)出來的物品。

目前國(guó)內(nèi)也有一些高職院校開設(shè)了3D打印課程，這些院校主要目的都是為了增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新創(chuàng)造思維。這些課程也在一定程度上推動(dòng)了3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)上的發(fā)展。但是這些課程也存在著一定的問題，比如課程總體缺乏系統(tǒng)性，而且實(shí)訓(xùn)課程的評(píng)價(jià)方式、學(xué)生運(yùn)用 3D技術(shù)創(chuàng)新的能力較弱等等。不過隨著老師和學(xué)生素質(zhì)的提高，相信3D打印課程以后一定會(huì)成為設(shè)計(jì)教育的必要一環(huán)[3-4]。

2.3 獨(dú)立設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)在一定程度上擺脫傳統(tǒng)加工方式的限制后，傳統(tǒng)加工制造商與小群體的專業(yè)設(shè)計(jì)師之間利益關(guān)系將被淡化，同時(shí)設(shè)計(jì)行業(yè)也會(huì)出現(xiàn)更多的獨(dú)立設(shè)計(jì)品牌與獨(dú)立設(shè)計(jì)師，他們會(huì)通過更加個(gè)性化、更加富有獨(dú)特風(fēng)格的設(shè)計(jì)來引導(dǎo)消費(fèi)者的美學(xué)感受、行為活動(dòng)，他們也可以通過更加發(fā)達(dá)的物流網(wǎng)絡(luò)對(duì)自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行“云銷售”，由于獨(dú)立設(shè)計(jì)在生產(chǎn)方式和生產(chǎn)時(shí)間上的自由性，設(shè)計(jì)師很容易就可以實(shí)現(xiàn)“零庫存”，從而避免生產(chǎn)或者交易風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

3D打印技術(shù)已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)起到了重要的影響。在設(shè)計(jì)方法上，3D打印技術(shù)已在一定程度上變革了產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)小群體、集約化的工作方法，為社會(huì)性設(shè)計(jì)的發(fā)展打開了大門。在設(shè)計(jì)流程上，3D打印技術(shù)為平行設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了途徑，該技術(shù)的發(fā)展極大減少了設(shè)計(jì)過程中時(shí)間、資源的浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)造型以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)工業(yè)加工方式的限制，使設(shè)計(jì)師可以更專注于產(chǎn)品視覺和人機(jī)工程學(xué)上面的效果。在設(shè)計(jì)教育上，3D打印技術(shù)課程的開展提高了我國(guó)未來設(shè)計(jì)師的整體素質(zhì)，這就為我國(guó)設(shè)計(jì)行業(yè)整體水平的提高打下了基礎(chǔ)，使我國(guó)從制造大國(guó)向創(chuàng)造大國(guó)的轉(zhuǎn)變更近一步。