淺析3D打印對工業設計發展的影響

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摘要：我國的工業事業正朝著自動化和智能化的新時展，而3d打印技術就在此發展背景下應運而生。目前，因為3D打印技術的操作簡單、加工層面廣等優點，常常會被用于軍事、航空航天、建筑等多個領域中，特別是在產品造型與結構的設計工作中，3D打印起著至關重要的作用，文章即以此為核心，探討3D打印對工業設計發展的影響。

關鍵詞：3D打印；工業設計；發展；影響

1概述

當今社會正處于一場新的工業革命中，在信息化技術和智能化技術發展日益成熟的背景下，一系列新型技術將會被應用在工業中，這對于世界各國的經濟、文化和發展帶來了新的契機，而3D打印就是其中一項重要的技術。由于3D打印應用成本低、使用過程方便等優點，其被廣泛的應用于工業設計工作中，為工業產品的外形和結構提供更加自由的設計手段，也促進了工業設計的進一步發展，本文即針對此進行探討。

23D打印技術常見類別

3D打印技術常見的類別有SLS選擇性激光燒結、DMLS直接金屬激光燒結、FDM熔融沉積、SLA光固化、EEM電子束熔化成型、SHS選擇性熱燒結、PP粉末層噴膠3D打印。不同的打印技術適用于不同材料類型的打印。簡單來說，3D打印技術可以分為熔融沉積、激光燒結、光固化和粉末層噴膠四種。所謂熔融沉積型就是最早的3D打印形式，其結構一般比較簡單，使用起來較為便捷，并且各組件的能量消耗較低，所以成本較低。目前該類型的打印技術已經開源，人們甚至可以自行組裝。該技術一般用于ABS等材料的制備。激光燒結型則是通過激光束和電子束來照射材料粉末，使得其逐層熔融后冷凝，達到燒結效果。這種技術的成型效果好，在特殊材料的成型中有著非常大的優勢。比如說我國的殲-20戰斗機的部分材料用的就是這一技術。光固化型結合了前兩者的優點，通過光敏樹脂和紫外線發生器產生的光束來進行反應，從而觸發聚合反應固化成型。最后則是粉末層噴膠型，這是一種通過噴頭在粉末層上涂布膠水實現固化的成型技術，其較為環保，且色彩方面比較優秀，具有商業化的趨勢[1]。

33D打印技術的發展趨勢

3.1多材質同時打印。多材質同時成型是目前我國制造業中的一道坎，因為這道工藝所帶來的收益遠遠小于其成本，所以即使經過多材質成型后能夠得到性能較為優秀的產品，但是在工業上也很少去應用。多年來，許許多多的工業人才想要去促進該工藝的應用效率，但是效果也不盡如人意。而3D打印技術則可以實現這一點。通過FDM型3D打印機的多噴頭來達到對不同塑料的同時成型，不僅在流程上十分便捷，其后期處理工作也大大簡化，所得到的產品結構強度也較好[2]。3.2低成本金屬打印。金屬的3D打印技術是目前3D打印技術的一個發展瓶頸，其關鍵點在于如何實現該技術的民用化以及小型化，而該技術一旦突破將會對工業帶來巨大的影響，這意味著3D打印技術不再是傳統制造業的擴展和延伸，而是成為一種新的制造方式來進行發展。具體來說，金屬的3D打印技術主要核心在于對合金成分的配比設計以及其結構設計，使得在成型后的元件上不同的部位能夠有不同的性能。3.3生物組織結構打印。目前在醫療領域中，許多研究項目都指向再生醫療，實際上再生醫療也是未來醫療領域發展的一個重要方向。因為人體器官具有非常致密和復雜的結構，傳統的技術無法制造出更完善的人工器官，只能完成牙齒、髖關節等骨科替換產品的制造，且其價格較高，一般人難以負擔。對于一些血管和神經較為豐富的器官則無能為力。3D打印技術的出現為再生醫療提供了新的發展思路，其不僅能夠做好生物相容材料的加工，還能夠完成一些具有特定復雜生物組織的加工。3.4體素打印。所謂體素，就是與像素相對的一種概念。目前的工業制造技術完全可以做到像素級或者納米級的處理器單元的制造，而在3D打印技術出現后，人們開始逐漸探索在三維尺度上排列打印一些具有獨立功能和獨立結構元件的可能性。比如說，立體芯片的形狀可以不再局限于以往的形狀，而是可以制造個更加個性化的結構，甚至在后續的發展中完全可以將立體芯片打印在產品的外殼上，從而減少了這些結構占據的空間，使得產品更加小型化。而在制造流程上也更加簡單，甚至可以達到一體化制作，其各項結構的功能只需要設計在產品的各模塊即可。

43D打印技術對工業設計發展的影響

4.1設計內容的擴展。對于大部分的產品來說，其使用功能與產品的形態與構造息息相關，而在信息時代下，電子產品的應用也離不開這個規律，因為其數據計算和通信依然需要依靠產品的電子元件與結構特性，這種細微的結構以及電子元件的制作就不得不提到工程學和材料學。而3D打印技術對于制造業就更像是一個橋梁，將設計與工程兩種截然不同的概念聯系在了一起，通過該技術來將原材料進行合理組合，得到新型材料，從而使得具備多元結構的微型電子結構和元件能夠被同時打印出來，這是傳統工業設計工作無法做到的。3D打印技術的發展使得制造業從連續模擬材料轉變為數字化打印，從簡單的模型制作過渡到對材料的控制，材料將不再只是簡單的結構作用，更具有一定的功能，這就使得工業設計的范疇進一步擴大[3]。4.2設計權重的傾斜。制造業的核心就在于批量生產，而這些批量生產出來的產品核心就在于其技術、設計、制造等層面，其中設計是非常重要的一項工作。在傳統的制造業中，工業設計效果大多都比較直觀，但是設計本身的價值卻并不明顯。而應用了3D打印技術下的分散制造體系中，批量生產的規模減小，并進一步減小制造環節和營銷環節帶來的影響，甚至因為該技術簡單易操作使得很多產品的核心制造技術得到了開源，所以工業設計工作的權重也逐漸傾斜，創造性工作將占據主導位置。4.3設計流程的演變。因為3D打印技術的優秀特點，其設計出來的產品將會擁有更加細分的用戶群，甚至很多時候可以達到個人的個性化選擇需求，所以與傳統設計流程的不同，設計工作不再以批量化生產和標準規格為核心，而是以用戶數據為基礎，在概念設計時就可以確定其技術參數和人機尺寸，其樣品也可以直接交付用戶來試用，而這一過程大部分都可以通過軟件來進行，同樣也根據軟件產品的快速迭代模式來進行優化，從而保證產品的質量。而隨著3D打印技術的普及，用戶甚至可以自行設計一些技術強度不大的產品，也就是說工業設計工作直接融入銷售與定制過程，這將是整個工業模式與營銷模式的革新。4.4設計方法和工具的發展3D打印技術的設計方法和設計工具與傳統工業設計中所用到的設計方法和設計工具有著很大的差異。一方面，在設計思維層面，因為3D打印所帶來的自由化設計和便捷化設計，所以在設計上必須達到更高的創新性，要改變傳統制造業簡單的建模和模仿生產。另一方面，3D打印技術必須依靠軟件，充分發揮出3D打印中龐大計算力和繁雜結構構建能力的優勢。目前在設計方法和設計工具上有三種發展趨勢，也就是條件式設計、生成式設計和進化式設計[4]。

5結束語

本文對3D打印技術進行闡述，列舉了四類3D打印技術并闡述了其特點與優勢，探究了3D打印技術在多個領域工業設計中的應用，并分析其對工業設計的發展影響。可以說，3D打印技術擁有非常好地發展優勢。

參考文獻：

[1]余森林，毛一鳴.工業4.0時代3D打印技術對工業設計的系統性影響[J].設計，2016（19）：64-65.

[2]高越.3D打印技術影響下設計師與產品設計的重新定位[D].北京理工大學，2015.

[3]劉勇利.3D打印對工業設計的促進作用分析[J].科技創新與應用，2014（29）：129.

[4]趙婧.3D打印技術在汽車設計中的應用研究與前景展望[D].太原理工大學，2014.

作者:徐泳發 單位:香港大學工業工程及管理系統