你以为3D打印技术仅仅应用在工业设计领域吗,已经有一些研究机构...
尹光辉 陈杭 游俊 夏娟
摘 要 3D打印技术是当前工业设计领域的一种新型的、主流的加工制造技术，相对于传统的制造技术能生产出形状更加复杂的产品，而且成本低，高效率，使用简单。三维打印主要是通过计算机三维软件设计建模，结合数字电子技术原料打印机来促成产品的制造，通常在制造模具、工业设计等相关范畴用来制作新产品的模型，现在逐渐用它来进行新产品开发的直接制造。本文首先结合3D打印机的原理和特征，阐述了3D打印在工业设计领域的类型和应用现状。其次根据3D打印技术未来的发展趋势，对三维打印技术给工业设计带来的一系列机遇与挑战进行了研究与分析，目的是使各大企业和工业设计师紧紧抓住3D打印所带来的机遇，同时积极迎接挑战，进一步促进工业设计的发展。
关键词 3D打印 3D打印技术 工业设计 机遇与挑战
中图分类号：TB472 文獻标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.04.023
Abstract 3D printing technology is a new type of mainstream processing and manufacturing technology in the field of industrial design. It can produce more complex products than traditional manufacture technology， and it is low cost， high efficiency and easy to use. Three-dimensional printing is mainly through the computer three-dimensional software design modeling， combined with digital electronic technology raw materials printer to promote the manufacture of products， usually in the manufacturing mold， industrial design and other related areas used to make new product model， now gradually use it to carry out new products Development of direct manufacturing. This paper first combines the principles and characteristics of 3D printers， describes the type of 3D printing in the field of industrial design and application status quo. Secondly， according to the future development trend of 3D printing technology， a series of opportunities and challenges brought by the three-dimensional printing technology to industrial design are studied and analyzed. The aim is to make the big business and industrial designers firmly grasp and opportunity to actively meet the challenges， and further promote the development of industrial design.
Keywords 3D printing； 3D printing technology； industrial design； opportunities and challenges
0 引言
21世纪是科学技术快速成长的时代，三维打印就是其中的一项重要技术之一。[1]由于3D打印具有成本低、效率高等多方面的巨大优势，成为了近年来各行各业非常受欢迎的技术。根据有关机构发布的《2017-2022年中国工业4.0行业研究及未来前景预测报告》显示，今年我国三维打印的市场规模总值将达到206亿元，未来五年（2018-2022）的年均复合增加率约为47.65%，估计在2022年我国3D打印的市场规模将到达979亿元。[2]随着3D打印的成本越来越低，打印时间越来越短，打印的材料越来越多，成为了大多数消费者的优先选择，已经在教育、医疗卫生、珠宝、建筑行业、工业制造、航空航天等领域广泛应用。
面对三维打印技术如此快速的发展，有专家表示，3D打印技术会成为未来前景十分广阔的日出行业，并逐渐融入人们的生活当中犹如当年电脑的迅速发展一样，迟早遍及每家每户。随着3D打印技术的逐渐成熟和流行，它的存在将大大改变传统产品设计和产品的制造过程。工业设计是3D打印技术应用的重要领域之一，本文作者从实际出发，主要研究并分析了3D打印技术给工业设计所带来的机遇，以及如何积极地迎接挑战，目的在于促进工业设计的快速发展，使得更多新产品的制造满足众多用户的需求。
1 3D打印技术
1.1 3D打印技术的原理
3D打印也叫快速成型技术，材料制造技术以及增量制造技术等，它是通过算机三维设计软件进行新产品的模型设计，然后通过三维设计软件把设计好的模型分解成好多层平面切块，最后由数控成型系统将一系列可打印原料进行逐层堆积叠加成型，制造出实体产品的技术。[3]（见图1）
（1）3D设计建模阶段。企业设计部门可以利用一些三维制图软件（如ATUOCAD、SOLIDWORKS、UG等）来进行产品模型的设计与制作。也可以利用一些专业3D扫描仪或是一些DIY扫描设备获取需要打印对象的三维数据，最终以数字化的模式生成三维模型。当然，设计者也可以直接使用其他人已经做好的3D模型。[4]
（2）3D打印阶段。首先是3D打印机对已经用三维软件建立好的产品模型的相关信息数据读取并进行逐层分切，分切过后进行每一层的构建，其次将其逐层打印出来，最后将各层以多种黏合方式黏合起来从而制造出一个产品的实体模型。产品初次制造通常都是粗糙的，或是有许多的毛刺，[5]这时就需要后期的进一步处理。经过后处理（如抛光、去毛刺等）过后才能将其投入生产使用。
1.2 3D打印技术的特点
（1）3D打印的出现导致了制造业的伟大革命。传统的产品设计和制造主要依靠生产工艺技术才能实现，而3D印刷技术的出现将颠覆这一生产理念，使得工业设计不会考虑工艺可否实现的问题，只要求掌握计算机三维软件建模，任何复杂形状的产品都可以通过3D打印来实现。同时现有的3D打印机单层的印刷精度可以达到0.01mm，分辨率可以达到600dpi，印刷速率非常快。
（2）企业一旦使用三维打印来生产新产品，那么就会避免使用机器加工以及模具制造所带来的一些问题。[6]可以直接从计算机三维软件设计的模型数据中生成任何形状的物体，实现设计、生产制造一体化，因此大大的缩短了新产品的开发生产时间，不但增加了生产率，且产品的成型密度会更加均匀，更加精准。
（3）常用的3D打印机使得人们可以在电子产品商店内就可以购买到这类打印机，操作简单方便。也有专家表示，三维打印机的使用范围目前还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出自己想要的物品。
（4）打印材料的多样性。目前3D打印系统可以实现对几百种原料的打印，涉及航空航天、建筑、医疗、教育、珠宝、玩具等众多领域。
2 3D打印技术在工业设计领域的应用现状
三维打印技术已经在一定程度上改变了人们的生活方式以及商品的供应和生产方式。如表1 所示，3D打印技术已经广泛应用于产品原型、模具制造、珠宝、电子消费、家具、玩具等众多工业设计领域。
除此之外，3D打印在工业设计上的应用还表现在以下方面：
（1）工业设计所需工具的制作。工业设计是各种学科，技术和审美观念的交叉产物，是一种充满创造力的活动。[7]不同的设计师会根据不同的产品需要不同的器材和工具来加以辅助，而这些专用的设计工具往往都是设计师自己参与设计制作的。这些工具可以用3D打印机来完成，从而取代花费大量去设计和制作的时间，企业也不再需要花费更多的时间和金钱来购买和安装，因此这样就可以有效地改善产品生产装配过程，更加满足设计要求和消费者的需求。
（2）个性化模型和功能原型的制作。众所周知，在工业设计的生产流程中需要各种各样的零件、模型，然而传统的模型制作方式成本高，周期长，精确性差等诸多缺点，而使用3D打印技术可以快速高效完成。
（3）工业设计产品的批量生产。由于三维打印技术的快速发展，其印刷的成本是越来越低，打印所需的時间也越来越短，可以打印的材料也越来越丰富，打印的方式也越来越多，使之在产品批量生产上与之前的制造方式相比，有着生产效率高、时间短、低成本等重大优势。且不用受任何时间、地域的限制，在产品的制造生产中若有问题可以随时暂停生产计划，设计人只需对设计的三维模型进行简单的修改即可，这样设计出来的产品可快速灵活地投入生产当中去。
3 3D打印给工业设计带来的机遇
未来是智能化、大数据、云以及人工智能等高科技交融的时代，这既是工业设计面临的挑战，更是一个巨大的机遇。科学技术的发展永远是社会第一生产力，科技的进步将带动社会生产的重大变革，3D打印作为一项重要的技术，它的发展给工业设计带来了一系列全新的机遇。[8]
3.1 设计灵感更活跃
在传统的制造过程中，由于结构和工艺技术的限制，许多工业设计师的灵感和创造力只能停留在思维上，无法将其在实际生产中实现。然而，3D打印技术的出现，对工业设计师的设计灵感提供了极大的便利。3D打印技术通过电解沉积材料构成实体，不在需要使用诸如铸造、切割、弯曲等一系列工艺。只要求设计师掌握计算机控制语言，熟练使用3D建模软件即可，就可以将自己的想法充分表达出来，最终交由3D打印机把自己脑海中的模型在现实中完美的展示出来，而无需了解传统的数百种的生产工艺要求和过程。与传统的方法不同，3D打印技术是一种额外的制造方法，所以，工业设计师可以对产品形状和结构进行更加大胆的尝试和创新。
例如，法国工业设计师帕特里克曾通过3D打印技术，设计并制作了有名的Solid T1固定桌子和Solid C2椅子，然而，这种复杂的形状几乎是不可能用以前传统的加工方法和成形过程来完成的。除此之外，他还设计并印刷出了著名的一次性折叠椅，该椅子的所有接头均由3D打印机制作，没有使用任何组件的连接。[9]
3.2 个性定制更容易
传统产品设计的大规模生产，主要是满足用户多样化的需求去适应有限的风格和模式，而大大忽略了用户的差异性。伴随着产品的丰富，消费者需求变得越来越大，虽然一些企业提出了大规模定制模式生产以满足用户个性化需求的各种方式，但由于其制造模式是基于批量生产，并不能从根本上满足用户的个性需求。3D打印的出现，体现了个性化和智能化的特点，使得个性化的设计和制造成为可能。用户可以使用简单的方法和更便宜的成本来使用三维打印机开发自己的个性化产品。
3.3 产品开发周期更短
新产品的上市时间往往是消费者非常关注的，同时也是企业获得更多利润的一个重要因素。新产品设计阶段的时间如果越长，那么新产品一旦推向市场后，企业的潜在利润就会降低。因此，普遍认为，各企业应加快产品上市的速度。然而缩短产品周期开发时间的唯一途径是缩短从设计图到产品模型的转换时间。目前，利用同样数量的材料生产商品，三维打印机的生产效率是传统方式的3倍，并能独立优化产品的设计过程。
3.4 产品开发风险更低
现在制造业常常都会准备大量的库存以满足用户的订单需求，可是在实际当中，计划往往赶不上变化。常常会出现库存产品太多，供过于求的现象，最终导致企业亏损。[10]然而3D打印机的出现，只要你设计的模型一直保存在你的计算机上，产品就可以随时通过3D打印生产出来，根据订单自己把握生产量，想生产多少就生产多少。因此，可以实现零库存，公司完全可以按照生产订单及时生产即可。这对于新成立的公司以及企业的投资者来说，是一个非常不错的选择，因为新产品的开发成本和风险都降低了。
4 3D打印给工业设计带来的挑战
3D打印技术给工业设计带来机遇的同时也带来了一系列的挑战，当我们迎接机遇到来的时候，也要积极面对挑战。只有积极迎接挑战，我们方可稳步前行，不断总结经验教训，更好地迎接工业4.0时代的到来。[11]
4.1 工业设计服务模式的调整
如前所述，三维打印技术的出现将不可避免地改变传统的制造方法。批量生产和单量生产的成本几乎是一样的，大规模的生产优势势必会逐渐消失。未来的生产模式也将会从密集型转变为分散型。因此，必须尽快改变工业设计的服务模式，以满足新形势的要求。所以各大制造企业应当紧紧抓住契机，转变工业设计的生产服务模式，以尽快适应当下生产方式的转变。
4.2 知识产权的重新界定和保护
产品一旦可以用数字数据文件来描述，就会变得更加容易被复制和模仿，而山寨产品也会越来越多。3D打印技术的出现使得仿制者更加容易在市场上推出一模一样的产品，所以这就需要进一步研究如何保护知识产权变得尤为重要。[12]
更为值得思考的是，如果使用3D打印机可以复制和打印任何东西，如ATM卡、钥匙、枪支等，我们又应如何维护未来社会的秩序。因此，与新产品设计有关的知识产权应当被重新界定和保护，相关部门应该及时制定或更新知识产权保护法。
4.3 专业人才的急剧短缺
3D打印技术能有如此良好的发展当然离不开人才的支持，伴随着3D打印时代的到来，工业设计上各方面需要的专业技术人才会越来越多。作为先进技术，3D打印将会导致目前产品的设计和制造模式的转变，这必然离不开技术与行政技能强的高素质应用型人才。
同时，在3D打印的过程中，依旧会涉及到许多专业的技术，比如三维设计、三维建模、以及产品打印完成后的后处理等等。这就需要工作人员掌握各种基本技能，例如抛光技术、烧制、切割和组装等技能的掌握显得尤为重要。因此，高校需要提高人才培养的力度，多为社会培养更多高素质、专业技能高的应用型人才。紧紧抓住学校-企业联合培养的教学模式，学校提供人才，企业提供设备以及资金，使学生掌握更高、更强、更专业的技术。
5 结束语
当今社会将是科学技术发生巨大变革、继续取得突破性进展的时代，同时也是先进制造技术迅速發展和广泛应用的时代。3D打印技术将影响未来工业设计的几乎每一个方面，工业设计的主要在于创新设计，由于引入了三维打印技术，使得该领域有着蓬勃发展的前景。本文通过三维打印在工业设计领域的研究发现，3D打印给工业设计带来了良好的机会，工业设计师完全可以突破传统产品制造过程思想的禁锢，打破传统的设计制造理念，可以设计出更多新鲜、具有个性化的产品，在工业设计的各个领域广泛使用。同时设计者将更多好的创意变成现实，从多方面满足消费者的需求，造福人类。
参考文献
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