◇暢婉君

3D 設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化和智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，是一種基于二維和二維設(shè)計的新興設(shè)計方法，可以使設(shè)計目標(biāo)更加立體化、形象化。1986年，美國發(fā)明家Charles Hull 發(fā)明了立體光刻技術(shù)，開創(chuàng)了3D 打印技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。如今，3D 打印機(jī)使用增材制造的方法制造三維物體，以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)輔助設(shè)計的三維形狀。以3D 設(shè)計和3D 打印為代表的數(shù)字化制造提升了設(shè)計的自由度，擴(kuò)展了設(shè)計的可能性，深受設(shè)計師和企業(yè)的喜愛。隨著科技的發(fā)展，3D打印機(jī)未來的使用會爆發(fā)式增長，對3D 技術(shù)人才的需求也將逐漸顯現(xiàn)。

一、3D打印技術(shù)

（一）增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)最初用于設(shè)計和原型制作部門，目的是形成用于加工的物理模型和主模型。增材制造技術(shù)是指基于離散—堆積原理，以零件三維數(shù)據(jù)為驅(qū)動，直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。其技術(shù)是根據(jù)切片的數(shù)據(jù)（橫截面形狀）一層一層地分層創(chuàng)建物理模型。作為創(chuàng)建三維切片數(shù)據(jù)的一種手段，使用激光在液態(tài)光固化樹脂上繪制橫截面形狀，被激光照射的部分會固化（液態(tài)樹脂聚合成為固態(tài)樹脂），在表面形成一層薄薄的液態(tài)光固化樹脂，形成下一個橫截面形狀，重復(fù)此過程可以獲得模型對象。

3D 打印的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國。1892年，J.E.Blanther 在其專利中建議使用分層制造法構(gòu)成地形圖，首創(chuàng)了增材制造原理。1980年，名古屋工業(yè)研究所的教授發(fā)明了光造型法，但并未用于實(shí)際。直至1988年，美國3D Systems 公司發(fā)布了世界第一臺應(yīng)用SLA 光固化成型技術(shù)的立體光刻商用機(jī)器，標(biāo)志著增材制造技術(shù)通過3D 打印機(jī)開始實(shí)際應(yīng)用。同年，美國人Scott Crump 發(fā)明了一種新的3D 打印技術(shù)——熔融沉積成型，通過從噴嘴中釋放樹脂并使其硬化的方法來創(chuàng)建模型。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模和形狀與功能測試，并不適用于制造大型零件。

真正使3D 打印技術(shù)走向高潮的是2012年3月，為重振美國經(jīng)濟(jì)和美國制造業(yè)，當(dāng)時的美國總統(tǒng)奧巴馬提出建設(shè)全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃，并在總統(tǒng)任期內(nèi)的國情咨文演講中強(qiáng)調(diào)了3D 打印技術(shù)的重要性，賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任。隨著該計劃熱度顯著增長，3D 打印成為一個耳熟能詳?shù)拿~，不僅為工業(yè)界的制造人員所熟知，也為普通大眾所熟知。

3D 打印機(jī)是根據(jù)3D CAD、3D CG 等3D 軟件制作的3D 數(shù)據(jù)，對斷面形狀進(jìn)行層壓，制作3D 模型的設(shè)備的總稱。一般而言，普通打印機(jī)是將墨水噴射到紙張等平面上，以打印字符和圖形。3D 打印機(jī)則是使用各種技術(shù)構(gòu)建三維物體，再通過分層技法實(shí)現(xiàn)打印。例如堆疊熔化的樹脂或通過用高功率激光照射粉末材料來燒結(jié)成型。

在增材制造方法中，由于三維物體的橫截面形狀是堆疊的，因此可以制造任何形狀的物體。但與此同時，數(shù)據(jù)處理是必要的，建模后需要處理以切斷支撐。接觸形狀的部分做得更薄，更易去除。除此之外，也有無須支撐體的方法，例如粉末層壓法、薄板層壓法和立體光刻法。加熱光固化樹脂并以溶膠狀態(tài)（液體）將其涂敷以形成薄層，用紫外線照射物體使其固化，并依次重復(fù)此過程。最后，加熱以沖洗掉未反應(yīng)的光固化樹脂成型。而這種未反應(yīng)的光固化樹脂可以重復(fù)使用。

（二）3D 打印機(jī)

3D 打印機(jī)沒有明確的定義。在增材制造設(shè)備方面，高價機(jī)型通常是功能強(qiáng)、價格高的高端機(jī)型，反之低端機(jī)型是低價機(jī)型。3D 打印機(jī)作為3D CAD 輸出機(jī)器，用以制造產(chǎn)品的概念模型。增材制造從一開始就是為了將3D CAD 設(shè)計的電腦顯示器上的三維形狀制造成實(shí)際模型。雖然可以將所有增材制造設(shè)備用作3D 打印機(jī)，但將數(shù)以百萬的設(shè)備稱為打印機(jī)太過奢侈。

除此之外，增材制造需要專人操作，雖然技術(shù)一直在改進(jìn)，但對于產(chǎn)品的尺寸精度和外形品質(zhì)的高需求，使得3D CAD 的設(shè)計人員提出了更高的需求，尋求一種可以更容易檢查形狀、低成本的設(shè)備。3D 打印機(jī)響應(yīng)了這種需求，使設(shè)計人員可以提前確認(rèn)形狀，用以防止錯誤、提高工作質(zhì)量。

二、3D CAD設(shè)計軟件

（一）3D CAD

現(xiàn)在的3D 打印機(jī)主要是3D CAD 設(shè)計軟件的輸出機(jī)。在各個制造行業(yè)，3D CAD 軟件已成為設(shè)計產(chǎn)品、工具和制造設(shè)備的公認(rèn)媒介。在工業(yè)流程中，3D系統(tǒng)越來越多用于設(shè)計工廠和生產(chǎn)系統(tǒng)。

隨著3D CAD 的出現(xiàn)，設(shè)計方法發(fā)生了顯著的變化。在3D 出現(xiàn)之前，形狀以二維形式表示，多為三視圖（主視圖、俯視圖、左視圖）。雖然直至今日，這種方法仍然被廣泛使用，但是這種方法不能說是在三個維度上表示事物，只是對于作品或產(chǎn)品而言平面的3D 記錄。但使用3D CAD 制圖可以旋轉(zhuǎn)和更改視點(diǎn)，使作品或產(chǎn)品更加直觀和立體。

3D CAD 設(shè)計軟件中，三維數(shù)字模型分為三種類型，即僅表示邊緣的線框模型、通過定義面表示形狀的曲面模型和描述實(shí)體的實(shí)體模型。其中，可通過增材制造生成的數(shù)值模型是曲面模型和實(shí)體模型。

3D CAD 可在計算機(jī)中創(chuàng)建虛擬3D 空間，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)形成3D 信息，并將其顯示在監(jiān)視器屏幕上。除了表達(dá)形狀外，還可以在屏幕上輸入、計算和反映體重和表面積等物理信息。

（二）3D CAD 帶來的變化

設(shè)計的趨勢隨著時代的發(fā)展而變化。影響設(shè)計變化的原因有兩個方面：一是當(dāng)下社會的趨勢，二是原材料及其加工方法。隨著時間的推移，材料和加工方法不斷發(fā)展，塑料加工方法被開發(fā)出來，所需的機(jī)器被制造出來，并且開始生產(chǎn)塑料產(chǎn)品。

未來的設(shè)計創(chuàng)新需要考慮軟件、硬件和材料。3D CAD 最早用于飛機(jī)設(shè)計，極大地影響了人類的生活?，F(xiàn)在，3D CAD 用于產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計與模擬，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本的目標(biāo)。3D CAD 受到關(guān)注的另一個原因是增加了產(chǎn)品形狀的復(fù)雜性。如果形狀復(fù)雜，二維圖形無法表示，但在計算機(jī)上可以完整表示。

從物體以3D 形式表示形狀之后，設(shè)計者們開始使用該設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計。像實(shí)物一樣，使用計算機(jī)數(shù)據(jù)創(chuàng)建，并且在實(shí)際制作之前評估外觀，這稱為可視化。例如，在實(shí)際制造汽車之前，可以在計算機(jī)上設(shè)計它并更改顏色和照明。目前，多數(shù)公司都在使用這種方法，以節(jié)約設(shè)計時間和成本。

此外，人們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出通過預(yù)先輸入產(chǎn)品形狀的定義（約束條件、期望的性能等），然后由計算機(jī)自動生成形狀的系統(tǒng)。設(shè)計人員通過輸入算法，可以獲得計算機(jī)生成的3D 形狀。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在多運(yùn)用于建筑設(shè)計。

這樣的變化對制造產(chǎn)品有何幫助？例如，設(shè)計一把椅子，如果將增加重量和強(qiáng)度作為這把椅子的限制，設(shè)計就會變得復(fù)雜。將約束和目標(biāo)性能輸入計算機(jī)后，就會出現(xiàn)滿足強(qiáng)度的輕型設(shè)計，即可提出多個限制條件的設(shè)計。人們也可從中選擇自己喜歡的設(shè)計。

（三）數(shù)字化發(fā)展

3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，優(yōu)勢凸顯。數(shù)字化的成型技術(shù)可省去多種傳統(tǒng)制造步驟。為了提高效率，拓寬設(shè)計空間，多數(shù)企業(yè)從傳統(tǒng)的二維設(shè)計快速轉(zhuǎn)向三維設(shè)計，特別是在汽車領(lǐng)域，使用曲面模型和實(shí)體模型的設(shè)計已經(jīng)成為主流。對于設(shè)計成品的展示和研討，則是以3D 數(shù)據(jù)的形式交換設(shè)計信息。在3D CG 中，曲面模型和實(shí)體模型已被廣泛使用，最常見的使用3D CG 的行業(yè)是游戲、動漫、電影、特效、建筑設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計等。通過3D 設(shè)計軟件建模，再進(jìn)行素材設(shè)定等，可賦予游戲角色和畫面更強(qiáng)的真實(shí)性和豐富性。除此之外，3D 攝影也以一種用CCD 相機(jī)拍照并將其轉(zhuǎn)換為曲面模型的方法投入實(shí)際使用。

在國家重點(diǎn)機(jī)型研制中，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計研究院將全新3D 打印技術(shù)與3D 數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合。飛機(jī)零部件從設(shè)計到打印成型，實(shí)現(xiàn)了操作流程化，大大縮短了開發(fā)生產(chǎn)周期，減少了焊接和裝配工序，特別是克服了鈦金屬焊接腐蝕問題，不僅加工精度達(dá)到要求，而且材料的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性都較好。這在符合設(shè)計要求的同時，減少鈦合金材料的使用，實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約。

三、3D技術(shù)人才的不足

隨著3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和3D CAD 設(shè)計軟件的廣泛使用，3D 技術(shù)人才需求量也在逐年遞增。3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，已逐漸成長為能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求、實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。3D 打印技術(shù)衍生的設(shè)計、材料、軟件、數(shù)字制造等新型產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步優(yōu)化傳統(tǒng)制造，構(gòu)建新的制造生態(tài)系統(tǒng)。然而，在行業(yè)快速成長的同時，我國3D 技術(shù)人才建設(shè)的短板已成為行業(yè)突破更高水平的重要障礙。解決人才培養(yǎng)問題已成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，我國目前短缺的技術(shù)人才超過1000 萬。其中，制造業(yè)對3D 人才的需求量最大，缺口約800 萬人。與傳統(tǒng)工業(yè)時代的工匠不同，數(shù)字時代的工匠既不是普通的技術(shù)人員，也不是科研人員。他們將3D 技術(shù)和數(shù)字思維應(yīng)用到設(shè)計、制造、服務(wù)的各個環(huán)節(jié)，從而推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級。但目前很少有3D 技術(shù)人才能夠?qū)⒃O(shè)計思想與技術(shù)結(jié)合起來，然后應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，這必然會影響未來3D 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。

四、3D打印技術(shù)發(fā)展對策

（一）建立學(xué)科教學(xué)

學(xué)習(xí)平臺的建立是學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，應(yīng)加大力度開展3D 設(shè)計課程教育，特別是在高職院校開展3D CAD 的課程教學(xué)。制定專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，引進(jìn)3D 設(shè)計專職教師，購置3D 打印設(shè)備，整合學(xué)習(xí)資源，建立實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)基地，將基礎(chǔ)理論知識運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)中，培養(yǎng)同時具備3D 創(chuàng)新設(shè)計思維和3D打印技術(shù)的高技能應(yīng)用型人才。根據(jù)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的需求建立新專業(yè)，如動畫設(shè)計專業(yè)、文創(chuàng)設(shè)計專業(yè)等。充分利用校企合作，使學(xué)生通過企業(yè)實(shí)習(xí)提前適應(yīng)崗位和社會，能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，具備更高的綜合素質(zhì)和更強(qiáng)的創(chuàng)新能力。

（二）增加專業(yè)賽項(xiàng)

在現(xiàn)有的工業(yè)與工程設(shè)計、數(shù)字建筑BIM 設(shè)計、企業(yè)命題等大賽的基礎(chǔ)上，增加3D 創(chuàng)新大賽等。可融入當(dāng)今社會流行的新媒體運(yùn)營，開辦微電影網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)意大賽，加速3D 產(chǎn)業(yè)鏈整合，推進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。通過增加3D 設(shè)計類型的比賽，為學(xué)校和企業(yè)之間搭建交流平臺，以賽促產(chǎn)，以產(chǎn)帶賽，達(dá)到產(chǎn)教融合的目的，最終促進(jìn)3D 技術(shù)人才的培養(yǎng)。依托大賽平臺，推動3D 打印技術(shù)的推廣，引領(lǐng)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)習(xí)實(shí)踐的落實(shí)。

（三）實(shí)施緊缺型人才扶持

相關(guān)部門應(yīng)出臺相關(guān)政策扶持人才培養(yǎng)，從政策創(chuàng)新突破和服務(wù)保障提升等方面實(shí)施一系列人才特殊支持舉措。營造更加開放的人才引進(jìn)環(huán)境，例如減稅和就業(yè)落戶等。積極推進(jìn)專業(yè)型人才的就業(yè)專項(xiàng)行動，推動公益性人力資源免費(fèi)服務(wù)項(xiàng)目落實(shí)，對專業(yè)技術(shù)人員職業(yè)技能提升提供補(bǔ)貼。

五、結(jié)語

隨著3D 打印機(jī)的普及，低價產(chǎn)品廣泛上市，多數(shù)企業(yè)都具備購買3D 打印機(jī)的能力，并將其應(yīng)用于普通工作。3D 打印機(jī)的使用，終將像計算機(jī)使用文字處理來創(chuàng)建文檔一樣變得司空見慣，成為個人設(shè)備。著眼于3D 打印本身固然重要，但更重要的是3D技術(shù)人才的培養(yǎng)。針對專業(yè)型人才實(shí)際發(fā)展需求，加強(qiáng)校企合作，推動高職院校人才培養(yǎng)計劃落實(shí)，出臺相關(guān)政策予以扶持，才能促進(jìn)3D 產(chǎn)業(yè)未來更好發(fā)展。