劉向遠(yuǎn)方

產(chǎn)品的生產(chǎn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)需要采用新型技術(shù)，3D 打印技術(shù)是增量制造的通俗名稱，增量制造顧名思義就是通過對(duì)材料的不斷累積疊加進(jìn)行的產(chǎn)品生產(chǎn)模式。它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，可以有效提升設(shè)計(jì)效果，當(dāng)前的3D 打印技術(shù)相對(duì)多樣，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)需求進(jìn)行技術(shù)方案選擇。

一、3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用的意義

（一）降低制造和生產(chǎn)以及管理等方面的成本

3D打印技術(shù)的另一個(gè)名稱或者是從技術(shù)角度上命名叫作增材制造，這種打印或者制造方式利用材料累積的辦法，大大降低了材料的使用和浪費(fèi)，不僅節(jié)省了材料，而且省去了傳統(tǒng)制造過程中需要進(jìn)行的各種車床操作，還能夠制造出傳統(tǒng)機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)造型。

3D 打印的另外一個(gè)特點(diǎn)是制造速度快，以往制造原件需要先生產(chǎn)原材料，再進(jìn)行車、削來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要的結(jié)構(gòu)外形，而3D技術(shù)可以不需要模具和輔助工具，只需要在計(jì)算機(jī)中輸入設(shè)計(jì)圖紙，便能夠一次成行完成設(shè)計(jì)造型，省略諸多的生產(chǎn)流程，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形特殊的產(chǎn)品，3D 打印具備顛覆性的產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

另外，3D 打印還具備高度的自動(dòng)化，基本不需要人工值守，便能自動(dòng)完成產(chǎn)品生產(chǎn)。相比較傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，各個(gè)環(huán)節(jié)中需要各種各樣的機(jī)器設(shè)備，并且需要人為的控制產(chǎn)品的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，3D 打印完全摒棄了這些環(huán)節(jié)，大大地節(jié)省了人工成本。

（二）打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維局限性

3D打印技術(shù)的一體化成形原理類似于將材料按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行堆疊，因此，可以通過這種方法制造出結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的產(chǎn)品。簡約描述生產(chǎn)流程為：設(shè)計(jì)師首先通過三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品模型，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)保證產(chǎn)品模型的完整性，然后導(dǎo)出STL格式，3D 打印機(jī)按照該格式內(nèi)容進(jìn)行打印。3D 打印機(jī)在改進(jìn)的過程中，逐漸演變成由三角形的細(xì)小單位進(jìn)行產(chǎn)品部件的堆疊，因?yàn)槊娣e較小，所以最終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加精細(xì)。3D 打印機(jī)巧妙地利用小單位物體堆疊的方式，按照?qǐng)D紙形成最終的產(chǎn)品，3D 打印因此有了無限的可能性，幾乎把傳統(tǒng)制造的限制統(tǒng)統(tǒng)打破了，3D 打印好像是畫師的畫筆，只需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行天馬行空的想象和創(chuàng)作，3D 打印幾乎沒有什么事情是做不到的，這對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)來講，幾乎是顛覆性的，對(duì)于特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，交給3D 打印幾乎是必然的趨勢(shì)。

（三）縮短了產(chǎn)品的成型周期

隨著世界進(jìn)入了消費(fèi)主義的時(shí)代，地球上的人類從未像現(xiàn)在這樣熱衷于消費(fèi)，這種時(shí)代使得產(chǎn)品的形態(tài)和數(shù)量得到了爆發(fā)式的增長。顯而易見，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)已經(jīng)不能適應(yīng)這種快速增長的消費(fèi)模式，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)的過程耗時(shí)長。而3D打印的時(shí)代，將會(huì)終結(jié)過去的這種從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的漫長環(huán)節(jié)，未來的企業(yè)在利用3D 打印技術(shù)之后，能夠快速的研發(fā)，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，產(chǎn)品上市的周期將大大縮短，最先應(yīng)用3D 打印技術(shù)的企業(yè)將獲得行業(yè)中的領(lǐng)先地位。

（四）節(jié)省了產(chǎn)品的研發(fā)成本

傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造小到玩具的一個(gè)零件，大到汽車飛機(jī)的模型，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)的過程中都嚴(yán)重依賴模具，模具的生產(chǎn)成本非常的高昂，也因此，企業(yè)設(shè)計(jì)一套模具就希望能夠延長模具的使用周期，以此來控制成本。這種生產(chǎn)制造方式變相地增加了企業(yè)的研發(fā)成本。并且這種方式會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)，一旦產(chǎn)品無法被市場證明，那么模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)的費(fèi)用便成了風(fēng)險(xiǎn)。3D 打印沒有這種負(fù)擔(dān)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程只需要設(shè)計(jì)師的圖紙便能夠直接生產(chǎn)產(chǎn)品，企業(yè)可以通過少量的成品投放市場進(jìn)行驗(yàn)證，如果被市場證明是成功的產(chǎn)品，便可以擴(kuò)大規(guī)模批量生產(chǎn)。這種模式大大地降低了企業(yè)的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。3D 打印在和模具生產(chǎn)之間產(chǎn)生良好的印證作用，讓企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營模式更加靈活。

二、3D 打印技術(shù)概述

（一）熔融沉積工藝（FDM）

熔融沉積工藝是擠壓型3D 打印技術(shù)，其原理是通過將某些材料，如塑料，樹脂，尼龍等進(jìn)行加熱，噴嘴噴出融化的材料并按照?qǐng)D紙進(jìn)行移動(dòng)堆疊，當(dāng)材料冷卻之后形成了設(shè)計(jì)圖紙的產(chǎn)品構(gòu)造。這種工藝的特點(diǎn)是成本低廉，劣勢(shì)是產(chǎn)品精細(xì)程度不足，較為粗糙。

（二）液態(tài)光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）

液態(tài)光敏是當(dāng)前中高端產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用較多的一種3D 打印技術(shù)，也是光聚合型打印技術(shù)的一個(gè)分支，該工藝的原理是通過激光融合光聚合物，比如環(huán)氧樹脂等材料形成設(shè)計(jì)圖紙中的產(chǎn)品形態(tài)。SLA 業(yè)態(tài)光敏樹脂的生產(chǎn)工藝的主要特點(diǎn)是對(duì)于尺寸誤差精度高，能夠加工結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜或者體積比較小的產(chǎn)品，甚至還能夠加工超小的微粒。

（三）粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）

粉末材料燒結(jié)工藝和上面提高的SLA 的工藝較為相似，名稱是SLS(Selective laser sintering),在3D打印的范疇中屬于顆粒型的3D 打印模式，不同于其他的材料，SLS 主要使用塑料和金屬粉末以及陶瓷粉末進(jìn)行打印，該打印方式的特點(diǎn)是速度快，精度高，對(duì)于不同產(chǎn)品的材質(zhì)適應(yīng)性廣泛，在工業(yè)中的應(yīng)用范圍非常大。

三、3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用思路

（一）3D 打印技術(shù)在樣品模型中的運(yùn)用

1.樣品模型的快速成型

一個(gè)企業(yè)研發(fā)一款產(chǎn)品的主要流程為，首先按照設(shè)計(jì)構(gòu)想進(jìn)行市場調(diào)查，得到市場調(diào)查的反饋之后，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，制作出反映產(chǎn)品特點(diǎn)的效果圖。然后根據(jù)效果圖進(jìn)行手板設(shè)計(jì)制造，以此來驗(yàn)證產(chǎn)品的可行性并進(jìn)行優(yōu)化。然而，手板制作有兩個(gè)缺點(diǎn)，就是制作周期長，另外具備較大的誤差，精度不足。

3D 打印技術(shù)相比較傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程而言，最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠在最短時(shí)間里得到立體模型，設(shè)計(jì)師能夠通過立體模型對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種角度快速驗(yàn)證，并以此來進(jìn)行產(chǎn)品的完善和優(yōu)化。而傳統(tǒng)手板需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，大大提高了產(chǎn)品研發(fā)效率。3D立體模型相比較傳統(tǒng)手板的精度也得到了大大的提高，特別適用于對(duì)精度要求較高的產(chǎn)品。

2.過濾性與驗(yàn)證性的創(chuàng)新過程

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，任何一款產(chǎn)品都是在經(jīng)過反復(fù)的測試和修改中，才逐漸決定最終版本的。而在傳統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)調(diào)整流程中主要依賴手板的模型制作，然而手板模型的制造修改往往要投入大量的人力物力以及時(shí)間。3D 打印改寫了這種漫長的產(chǎn)品生產(chǎn)流程，特別是在當(dāng)今產(chǎn)品飛速更新?lián)Q代的時(shí)代，3D 打印能夠在短時(shí)間內(nèi)，迅速靈活的調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，這是企業(yè)抓住瞬息萬變市場的法寶。

一個(gè)產(chǎn)品從概念到實(shí)際產(chǎn)品，到消費(fèi)者使用反饋進(jìn)行調(diào)整，甚至到最后的產(chǎn)品回收，往往不是一個(gè)正向的非常穩(wěn)定的狀態(tài)。很多情況下，會(huì)靜止在某個(gè)環(huán)節(jié)，需要通過進(jìn)行逆向的驗(yàn)證來調(diào)整產(chǎn)品方向。以往要做到這一點(diǎn)并不容易，然而，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了驗(yàn)證性在產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)中的可能性。

通常在產(chǎn)品開發(fā)的過程中主要通常有兩個(gè)階段，一個(gè)階段是產(chǎn)品的視覺外觀部分，主要反映在產(chǎn)品的外觀造型，色彩，材質(zhì)，觸感等等，第二個(gè)階段是產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，即讓通過零件等連接部件讓產(chǎn)品能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也能夠通過計(jì)算機(jī)展示產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，但是，仍然無法與3D 打印直接拿出成品進(jìn)行測試得來的試驗(yàn)結(jié)果有效，而且3D 打印出來的成品能夠看到外觀造型，以及各個(gè)組件之間實(shí)際的關(guān)聯(lián)度是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.釋放想象的空間

在一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)師的主要工作是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品需求的制作方案，包含效果圖以及模型的制作，在沒有3D 打印時(shí)代，依靠手板模型來實(shí)現(xiàn)以上工作，而傳統(tǒng)手板智能在手工或者半自動(dòng)化模式下制作，耗時(shí)費(fèi)力。當(dāng)3D 時(shí)代開啟，依據(jù)設(shè)計(jì)圖能夠快速的生成產(chǎn)品模型，至此，設(shè)計(jì)師能夠把全部的精力放在對(duì)產(chǎn)品的精心打磨的過程中。當(dāng)前的3D 打印機(jī)能夠識(shí)別多種格式的圖紙，而應(yīng)用最多的是stl 格式，該格式所以靠的模型是由三角形單位組成的，三角形的棉結(jié)最小，因此堆疊形成的精度比較高。這使得對(duì)精密度要求較高的零件產(chǎn)品，也能夠通過3D打印進(jìn)進(jìn)行生產(chǎn)。特別是在比較特殊的角度，例如曲面和紋理的實(shí)現(xiàn)過程中，手工耗時(shí)費(fèi)力，效果一般，但是具備高精度打印的3D 打印技術(shù)，則能夠很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的想法，讓設(shè)計(jì)師將想象力結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

（二）3D 打印技術(shù)在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中的運(yùn)用

3D打印的原理是通過將材料進(jìn)行堆疊形成圖紙的構(gòu)造，因此，也稱之為增量制造。這種制造方法省去了傳統(tǒng)制造工藝中的切，削，車等去除多余材料的制造方法。這種增加的方式很好地解決了生產(chǎn)材料浪費(fèi)的弊端。傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造過程需要通過對(duì)不同材質(zhì)的產(chǎn)品部件，進(jìn)行各種工藝實(shí)現(xiàn)連接和或者功能，而3D 打印技術(shù)直接去掉了模具的開發(fā)制造部分，依據(jù)三維模型設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行增量打印，節(jié)省了大量的材料。

（三）3D 打印技術(shù)在零部件維護(hù)中的運(yùn)用

傳統(tǒng)的產(chǎn)品經(jīng)過前期設(shè)計(jì)制造過程后，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)之后，要依據(jù)消費(fèi)者使用情況，準(zhǔn)備很多的產(chǎn)品零部件，但因?yàn)槭袌龅那ё內(nèi)f化，導(dǎo)致模具生產(chǎn)出來了，產(chǎn)品周期卻結(jié)束了。而3D 打印的靈活性恰好解決了這個(gè)問題，只要保留產(chǎn)品及零配件的圖紙，就能快速生產(chǎn)任何需要的零部件，這不但節(jié)省了制造成本，而且解決了庫存問題。

四、結(jié)束語

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了產(chǎn)品研發(fā)制造等多方面的弊端，顛覆性的改變了生產(chǎn)制造行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)流程，在設(shè)計(jì)階段，3D 打印結(jié)束了傳統(tǒng)手板模具制造中的高投入，耗時(shí)長，且不靈活的設(shè)計(jì)方式，解放了設(shè)計(jì)師對(duì)手板的依賴，能夠把全部精力投入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，在產(chǎn)品的后期階段，消除了庫存和模具的依賴，大大節(jié)省了企業(yè)成本。