董 霞

（西山煤電高級(jí)技工學(xué)校，山西 太原 030053）

引言

工業(yè)設(shè)計(jì)歷史悠久，最初的工業(yè)設(shè)計(jì)側(cè)重于量產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)造、色彩、形態(tài)、材料、裝飾及表面加工的設(shè)計(jì)。伴隨工業(yè)設(shè)計(jì)理念的逐步成熟完善，現(xiàn)階段工業(yè)設(shè)計(jì)則側(cè)重于產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)由單一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造性活動(dòng)。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及制造等環(huán)節(jié)均得到廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員利用3D打印技術(shù)打印設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品，可省略制造模型及審核等環(huán)節(jié)，顯著縮短設(shè)計(jì)周期，并可直觀地測(cè)試評(píng)估設(shè)計(jì)效果，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)缺陷，使產(chǎn)品能夠更迅速地投入市場(chǎng)中。本文總結(jié)研究計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與3D打印相關(guān)技術(shù)，希望為設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)概述

1.1 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的基本概念

CAD（Computer Aided Design）即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，CAID（Computer Aided Industri-al Design）即計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各種產(chǎn)品。與常規(guī)工業(yè)設(shè)計(jì)模式相比，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)屬于多種信息技術(shù)的集成，是多學(xué)科相互交叉的高科技產(chǎn)物，可顯著提高設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、改善設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。

1.2 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

通常情況下，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程較為復(fù)雜，主要包括前期市場(chǎng)調(diào)研、產(chǎn)品草圖與效果圖設(shè)計(jì)、制作模型、量產(chǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可視化流程占比較高，這也為計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用營(yíng)造了有利條件。比如在工業(yè)設(shè)計(jì)中可采用Coreldraw、Photoshop等軟件繪制工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的二維效果圖，也可采用3DMax、Maya軟件制作并渲染產(chǎn)品的三維模型，配合采用CATIA等軟件計(jì)算產(chǎn)品模型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，且相關(guān)數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于在工業(yè)產(chǎn)品制造及生產(chǎn)過(guò)程中。與常規(guī)設(shè)計(jì)模式相比，采用計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)能夠縮短設(shè)計(jì)周期，直觀且高效地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)方案，通過(guò)相關(guān)軟件具備的集中化及智能化功能，可顯著降低設(shè)計(jì)難度，設(shè)計(jì)人員可集中精力優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大，部分設(shè)計(jì)人員已能夠熟練應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。未來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)需不斷擴(kuò)展其在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用階段，比如在工業(yè)產(chǎn)品早期調(diào)研階段，可通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信息采集與定位分析，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可采用人體工程學(xué)等技術(shù)獲取產(chǎn)品模型，并對(duì)比人體數(shù)據(jù)庫(kù)資料，分析設(shè)計(jì)方案存在的缺陷，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整獲取更為適宜的設(shè)計(jì)方案，以促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提升?，F(xiàn)階段，我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)尚未形成完整體系，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在諸多問(wèn)題，為此相關(guān)人員需加強(qiáng)研究與綜合分析評(píng)估，可將計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與人工智能等先進(jìn)技術(shù)融合，利用人工智能數(shù)據(jù)庫(kù)輔助完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)及生產(chǎn)，為設(shè)計(jì)人員提供豐富的信息資源，進(jìn)而促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量提升[2]。

2 3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)歸屬于快速成型技術(shù)范疇，該技術(shù)以特定的數(shù)字模型文件為打印的依據(jù)，采用塑料或金屬粉末等粘合性能良好的材料逐層完成構(gòu)造物的打印。3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也可直接應(yīng)用于產(chǎn)品制造。3D打印技術(shù)的主要環(huán)節(jié)包括三維設(shè)計(jì)、切片處理及打印，技術(shù)人員需優(yōu)先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件完成三維設(shè)計(jì)，并將三維模型劃分為多層截面。3D打印機(jī)可讀取三維設(shè)計(jì)文件中的橫截面信息，采用特定的材料逐層打印，并將不同截面粘結(jié)形成實(shí)體結(jié)構(gòu)。

2.2 3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)90年代，該技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用塑料或金屬粉末等粘結(jié)性良好的材料，通過(guò)逐層打印與粘結(jié)的方式打印出特定的構(gòu)造物。目前，3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)及模具制造等領(lǐng)域中應(yīng)用效果良好，在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、鞋類設(shè)計(jì)、珠寶設(shè)計(jì)、牙科、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大。常規(guī)工業(yè)設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)人員需在設(shè)計(jì)的最終階段制作手鈑模型，以評(píng)估分析設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性及可行性，而制作手鈑模型耗時(shí)較長(zhǎng)，且費(fèi)用昂貴，部分模型精度偏低，實(shí)際應(yīng)用效果不佳。采用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可構(gòu)建數(shù)字模型文件，利用特定打印材料與3D打印機(jī)，短時(shí)間內(nèi)便可獲取制作出精度較高的模型，進(jìn)而降低工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)成本，也可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。伴隨科技水平的持續(xù)進(jìn)步，3D打印技術(shù)逐步成熟完善，3D打印機(jī)價(jià)格顯著降低，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中可從根本上轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)模式，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展進(jìn)步。

3 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)的融合

現(xiàn)階段，關(guān)于3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)間關(guān)系尚無(wú)確定結(jié)論。通過(guò)對(duì)二者技術(shù)特點(diǎn)的分析研究可以得知，3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)相輔相成，3D打印技術(shù)可將計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的虛擬工業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體產(chǎn)品，而計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)可為3D打印提供數(shù)據(jù)。將3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而改進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)流程更為合理化，并可降低研發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率，縮短工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)周期，使其能夠在最短時(shí)間內(nèi)入投入使用。

部分機(jī)構(gòu)將3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合完成產(chǎn)品研發(fā)，并取得良好效果。比如某工業(yè)設(shè)計(jì)人員采用3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)完成吉祥物的設(shè)計(jì)與3D打印。在設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)軟件制作吉祥物的二維效果圖，并采用McNeel公司研發(fā)的T-spline（多邊形建模插件）與Rhinoceros軟件制作吉祥物的三維模型，并通過(guò)T-spline軟件具備的多邊形自由建模功能，構(gòu)建吉祥物的身體設(shè)計(jì)模型，輸入NURBS曲面命令，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺杂删庉嫷那婺Ｊ絒3]。完成上述操作后，設(shè)計(jì)人員需曲面進(jìn)行必要的修飾調(diào)整，不斷完善細(xì)節(jié)部分，進(jìn)而構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)STL格式將模型相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)內(nèi)。技術(shù)人員依據(jù)數(shù)據(jù)模型內(nèi)容，在3D打印機(jī)中設(shè)置打印尺寸并準(zhǔn)確定位，完成相關(guān)設(shè)定后3D打印機(jī)執(zhí)行打印指令，逐層完成打印。打印結(jié)束后，技術(shù)人員對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修整與清理，進(jìn)而獲取最終的吉祥物模型。通過(guò)3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，設(shè)計(jì)人員利用一周時(shí)間便完成設(shè)計(jì)與成品打印，且打印效果良好，與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)方案相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的有效結(jié)合可轉(zhuǎn)變工業(yè)設(shè)計(jì)模式，提高設(shè)計(jì)效率、降低產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用，并可改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，有助于促進(jìn)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)水平的提升?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一定缺陷，為此相關(guān)技術(shù)人員需加強(qiáng)學(xué)習(xí)與研究，充分認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，并在設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，以促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)水平的持續(xù)提升。同時(shí)，相關(guān)院校需調(diào)整課程設(shè)置，將3D打印技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)作為教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)，為其提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，以滿足社會(huì)需求。