计算机辅助工业设计与3D打印技术初探

    摘?要：设计领域中，越来越多地使用计算机进行辅助设计，其发挥的作用越来越大。在计算机辅助设计的带动下，产生了3D打印技术，并且3D打印技术越来越成熟。本文着重介绍了计算机辅助工业设计和3D打印技术，以期待对两者的更好融合应用有所裨益。

    关键词：计算机辅助;工业设计;3D打印技术

    一百多年前，工业产品设计时，大都从色彩、结构等单个方面进行单一的设计。一百多年后，工业产品的设计已经演变为一种创造性的活动，将工业产品的外延属性进一步扩展，从整个产品的使用属性、过程和服务等各个方面进行设计，产品的种类得到极大的丰富，人们的生活方式受到较大的影响。20世纪80年代，我国开始有了工业设计的雏形，其设计方法、表现技法等方面都受到工艺美术的影响。之后的十年，随着经济的进一步发展，我国的制造业发展速度较快。在设计领域，得益于计算机技术的迅速发展，已经被广泛的运用。3D技术的发展较晚，但是发展速度是比价快的。随着3D技术的逐步完善，工业设计领域已经开始利用3D技术打印产品。3D技术的出现，具有较大的优势，产品的设计周期被极大的缩减，制造程序极大的简化。设计过程中，设计师借助计算机辅助工业设计和3D打印技术，对于产品的审核、检验等可以较为直观的呈现在眼前，开发周期大大缩短，可以将产品快递的投入市场，最大程度地提高企业的利润率。

    1 计算机辅助工业设计概述

    计算机辅助设计，英文名称为CAD-Computer Aided Design。计算机辅助工业设计，英文全称Computer Aided Industri-al Design，简称CAID。计算机辅助工业设计是以计算机辅助设计为基础开发而来的。工业设计领域中的产品设计是计算机辅助工业设计的主要研究对象。得益于计算机技术的迅速发展，工业设计领域焕发了新的生命力。计算机辅助工业设计的设计方法、效率等方面都有了质的提升，这是传统的工业设计所无法比拟的。目前，计算机辅助工业设计应经在很多的领域实现了应用。计算机辅助工业设计是各种信息技术的集大成者，可谓是多种综合性学科交叉的产物[1]。

    某个工业产品的完整设计流程是较为复杂的，具体来说包括市场调研、设计、草图和效果图、各种模型的制作、批量生产等几个方面。在整个完整的设计流程中，可视化的程序占了较大的比例。于是，计算机辅助工业设计的作用便有了用武之地。举例来说，可利用Photoshop、Illustrator、Coreldraw等辅助软件做二维效果图，可利用Rhinoceros、3DMax、Maya等三维软件制作模型，之后再进行渲染，可利用Pro/Engi-neer、SolidWorks、CATIA等工程软件计算模型数据，后期的生产制造环节可直接利用这些数据。与传统的使用手绘效果图和手工制作模型相比，利用CAID，一方面能够节约时间，另一方面具有直观、高效的特点。随着计算机技术的进一步发展，计算机辅助设计软件的功能日益强化，设计过程中，利用智能化、集中化的设计软件，有助于设计者利用较少的时间和精力来完成自己的设计梦想。在这种情况下，借助于技术的进步，设计师可以有更多的时间用于设计创造[2]。

    当前，设计阶段，已经熟练的适应计算机进行辅助。笔者认为，应该将计算机辅助设计应用的阶段进行拓展，举例来说，早期的调研阶段，可借助计算机技术做好信息的分析、采集。设计师在设计定位的过程中，可利用大数据技术，这种情况下，定位会更加的准确可靠。此外，在设计过程中，结合人体工程学，采集相关的数据模型。之后，与人体数据库对比，寻找差距，最终优化出更加合适的数据，以此改进设计。从多方位多角度利用计算机辅助设计，达到提高工业产品优化设计的目标。

    客观来说，在现代工业发展体系中，CAID技术的应用并没有形成完整的体系。在未来的工业设计中，应该持续深化CAID技术的应用。随着科学技术的进一步发展，CAID的技术水平及应用水平必将得到持续深化。目前，在人工智能领域，其技术逐步成熟。我们有理由相信，人工智能技术与CAID技术两者将得到持续融合，人工智能数据库系统将得到建立，在产品的设计、研发和生产过程中提供持续的应用服务。利用CAID和人工智能的联合应用，设计师可持续获得各方面的应用信息，帮助设计师做出更好的选择，以设计更好的工业产品，以为现代化建设服务。

    2 3D打印技术与工业设计概述

    3D打印技术，最早始于上世纪90年代。3D打印技术，利用数字技术材料打印机，根据设定的数字模型文件，输出可粘合材料最终实现构造物体的技术。3D打印技术应该在各个行业有了广泛的使用，诸如磨具制造、工业设计等领域。据不完全统计，在工业设计、汽车、建筑、教育等等都有3D打印技术的应用[3]。

    在工业设计方面，3D打印技术应用较为广泛。传统的工业设计阶段，手钣模型需要进行手工制作。制作这个模型的目的是对设计的合理性和可行性进一步校验。但是，手工制作，需要耗费较长的时间，制作成本来说相对较高。运用3D打印技术，相对来说就较为简单。利用3D打印机和相应的材料，短时间内就可以制作完成。这样出来的成品，不仅精度高，而且可以制作较为复杂的模型。在这种情况下，产品的研发周期被大大缩短，开发成本也得以降低。

    随着技术的进一步发展，相关配套产生的增多，3D打印机的成本下降明显。许多企业和设计公司，已经配备了3D打印机。许多的网站都在销售“mini”型的家庭打印机，为普通市民了解3D打印机创造了条件。

    3D打印技术最早是由设计者提出的。有了3D打印机，产品的工业设计有了助飞的翅膀。可以这样说，有了3D打印机，制造业和工业设计发生了翻天覆地的变化。3D打印技術已经对人们生活的方方面面产生影响。举例来说，人们可以利用3D打印技术来打造一些具有特殊功能的适合人类居住的房子。利用3D打印技术进行人体器官的打印，将对医学界产生深远的影响。利用3D打印机可打印鞋子、衣服等等，所有这样，将会对于人类的生产、生活方式产生不可估量的深远影响。

    3 CAID与3D打印技术的结合应用

    CAID和3D打印技术两者的关系如何，笔者认为，两者是相辅相成的关系。前者为后者提供了数据模型，后者让前者的虚拟产品变为现实中的产品，可谓是前进了一大步。工业产品设计时，充分将CAID和3D打印技术融合。极大的优化了工业产品的设计流程和方法。我们有充分的理由相信，只要将两者的技术充分的结合好，这两种技术方法的作用将会不可估量。

    根据文献报道，郝建峰利用McNeel公司开发的Rhinoceros软件和多边形建模插件T-spline设计制作了桃桃和花花模型。利用T-spline的自由多边模型的构建功能，制作完成了这两个吉祥物的身体。之后，利用NURBS的多边形曲面命令，借助Rhinoceros软件，对NURBS曲面进行编辑修饰，对一些细节目标进行完善，最终创建了整个数据模型。将数据模型以STL格式导出，之后将数据与3D打印机连接，进行模型打印。对3D打印机进行一系列的相关设置之后，逐层进行打印。打印完成之后，采用人工的方式进行清理和修整。最终大约花费了一周的时间实现了数据模型制作和3D打印。从实际的效果来看，是比较成功的[4]。

    4 结语

    工业产品的设计已经演变为一种创造性的活动，将工业产品的外延属性进一步扩展，从整个产品的使用属性、过程和服务等各个方面进行设计，产品的种类得到极大的丰富，人们的生活方式受到较大的影响[5]。20世纪80年代，我国开始有了工业设计的雏形，其设计方法、表现技法等方面都受到工艺美术的影响。之后的十年，随着经济的进一步发展，我国的制造业发展速度较快。在设计领域，得益于计算机技术的迅速发展，已经被广泛运用[6，7]。3D技术的发展较晚，但是发展速度是比价快的。随着3D技术的逐步完善，工业设计领域已经开始利用3D技术打印产品。3D技术的出现，具有较大的优势，产品的设计周期被极大的缩减，制造程序极大的简化。设计过程中，设计师借助计算机辅助工业设计和3D打印技术，对于产品的审核、检验等可以较为直观的呈现在眼前，开发周期大大缩短，可以将产品快递的投入市场，最大程度地提高企业的利润率。本文着重介绍了计算机辅助工业设计和3D打印技术，以期待对两者更好融合应用有所裨益。

    参考文献：

    [1]何人可.工业设计史[M].北京：高等教育出版社，2010.

    [2]潘云鹤，孙守迁，包恩伟.计算要机辅助工业设计发展状况与趋势[J].计算机辅助设计与图形学学报，1999，31（3）.

    [3][美]利普森，[美]庫曼著，赛迪研究院专家编译.3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.

    [4]郝建峰.计算机辅助工业设计与3D打印技术初探[J].轻工科技，2016，（8）：71-72.

    [5]段伟.计算机辅助工业设计与3D打印技术初探[J].才智，2019：229.

    [6]程远.基于计算机辅助工业设计的交通工具的曲线设计[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2015，28（6）：141-143，148.

    [7]党倩.基于ASP技术的计算机辅助工业设计系统的设计与研究[J].自动化与仪器仪表，2014（7）：118-120.

    作者简介：周楠（1980—?），女，满族，湖北孝感人，硕士研究生，高校讲师，研究方向：工业设计。