3D打印技术在产品设计领域应用综述

    韩铠 孙明阳

    

    摘 要：随着科学技术的发展、时代的进步，3D打印技术正处于蓬勃发展的新时代。与此同时，随着人们对美好生活的向往，3D打印技术更加可以满足人们个性化需求，3D打印技术在设计领域的应用前景十分广阔，以在玩具、家居制品等领域中最为突出。本文针对3D打印技术的原理以及存在的特性进行综合分析，并对3D打印技术的发展历史展开论述。

    关键词：3D打印史;产品设计;应用

    0 引言

    3D打印技术具有非常大的市场优势，这些优势是传统工艺制造所不能比较的。比如在同样传统制造行业下，不增加产品的制造成本，做到最少的花费，做出更加精美、质量可靠的产品，无须消耗人力，节省一大笔资金。3D打印技术应用前景十分广泛，在工业制造上也有很大的造就，已经在航空航天、汽车制造、传统建筑制造上有了显著的成效。3D打印技术在市场上有着很强大的竞争力，因为它可以满足人们的日常需求，注重理性与功能，为产品的多元化开拓了更大的发展空间。

    1 3D打印技术的定义及特点

    随着时代的进步与发展，人们创造了一种崭新的科技成果，即3D打印技术，也将它称为“快速成型技术”。3D打印通常是通过数字技术材料与打印机来实现的，通过逐层的添加打印的制造方式将各种材料进行高效融合。3D打印技术的特性是更注重多元化的发展、定制化以及智能化发展。目前，3D打印技术能够在精度比较高的层面上进行打印制作，并且能够使用多种材料复合而成。

    1.1 3D打印的技术工艺

    3D打印工艺包括SLA（立体光固化成型技术），它是通过激光扫描，在实体材料上进行雕刻，按照设计图参数勾勒，一层完成之后进行下一层，直到完成整个模型打印。层层叠加后打印成一个三维物体。SLS（选择性激光烧结），即通过激光选择性地分层烧结，并使制作后的表面层屡次叠加，而后生成我们想要的零部件。LOM（分层实体制造法），由片材组成，利用激光切割系统在计算机上得到应有的操作数据，将材料雕刻出外部造型。完成第一层后，将材料覆盖，然后粘贴进行第二次操作，最终成为三维工件。FDM（熔积成型法），它利用丝状材料为原料，将材料加热到高温熔化程度后，打印喷头由X到Y水平移动，把融化后的材料均匀涂抹至工作台上，然后继续打印下一步。3DP技术，即3DPrinting，采用喷墨式的原理，通过将材料铺至工作台上，参考打印数据进行逐层的打印，最终得到3D实物模型。

    1.2 现有3D打印技术存在的问题

    1.2.1 材料的限制

    目前无法实现打印的材料还非常多。材料的限制主要表现为两个方面，一方面，目前的3D打印技术可打印的材料种类有限，无法完全适应工业生产中所需的各种各样的材料的打印，使得3D打印技术只能应用于一些特定场合，普及推广仍有很大的障碍。另一方面，针对每种或每类材料，就需要设计专属的3D打印机，通用性不如传统的机械加工好。

    1.2.2 打印效率低

    效率低可以从两个角度进行分析。第一，需要去除的材料少，加工比较快;而3D打印技术必须将所有零件实体所需材料通过增材方式堆叠，材料体积大。第二，从成型运动方面考虑，传统的机械加工主运动多为旋转运动，而3D打印技术为直线运动，旋转运动更容易达到更快的速度，直线运动很难达到较快的速度。

    1.2.3 质量和精度低

    首先是质量问题，零件材料的微观组织和结构决定了零件的物理性能如强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性、气密性等大多不能满足工程实际的使用要求。其次是精度问题，打印成型零件的精度包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度都较差，不能作为功能性零件，只能作原型件使用。

    2 3D打印技术在产品设计中的应用

    在产品设计领域中，3D打印技术的应用越来越广泛，3D打印成为产品领域中的重要成分，告别传统的制造模式与通俗的几何造型，开始探索新的发展趋势，跟随时代的步伐。图1是3D打印发展时间线。3D打印技术突破了以往传统的技术并在设计中使用全新的制作过程，告别因材料、设施以及造型因素等的限制。从不同的观点来看，3D打印技术在产品造型设计中更加符合它的特定要求。与此同时，3D打印系统根据时代的要求、不同的人文艺术与科学技术要求，不论造型多么复杂多样，构造多么烦琐的产品都可以通过打印技术进行打印，并且不会脱离设计本身。因此，当代设计师就会把更多的时间和精力放在产品设计理念的创新上。不但如此，随着产品造型的设计多元化，越来越具创造性，设计师更加注重产品的视觉效果与造型理念，同时也会影响着消费者的审美程度与消费心理。

    3 3D打印发展历史

    1984年，美国人查尔斯·胡尔（Charles W.Hull）发明了SLA，即立体平板印刷技术，后人把胡尔称为“3D打印技术之父”。1986年，胡尔成立了3D Systems公司，研发了STL文件格式;同年，NSF赞助Helisys公司研发出LOM，即分层实体制造技术。20世纪，3D打印技术促进了科技时代的进步，为21世纪的发展创造了更大的空间。2005年，Z Corporation推出世界第一台彩色3D打印机Spectrum Z510;2009年，ASTM F42增材制造技术委员会成立，同年，FDM关键专利到期，MakerBot推出基于RepRap开源系统的产品。2010年，美国Organovo公司研制出了全球首台3D生物打印机。2011年，比利时哈瑟尔特大学生物医学研究院开发制造了金属下颌骨。2012年，美国建立国家增材制造创新研究院（NAMII）;Statasys和Objet完成行业内最大规模合并;GE收购3D打印服务商Morris Technologies。2013年，第一届Inside 3D大会召开，耐克公司设计出第一款3D打印运动鞋，美国Solid Concepts公司设计制造出全球首支3D打印金属枪。2014年，Stratasys完成对MakerBot的收购;3D打印上市公司市值大幅缩水;HP发布MJF技术。2015年，3D Systems收购无锡易维，创建3D Systems中国;佳能、理光、东芝、欧特克、微软和苹果纷纷涉足3D打印市场。2016年，以色列XJet发布纳米颗粒喷射成型金属打印设备;哈佛大学研发出3D打印肾小管;Carbon推首款基于CLIP技術的3D打印机。近阶段，人们又第一次搬入3D打印房屋，房屋面积为1022平方英尺，非常适合居住，打印时长两天，就建筑应用而言，现在3D打印房屋已经成为现实。

    4 产品领域中3D打印的未来发展

    3D打印作为一种新的技术思潮，逐渐流行起来，将对传统的制造方式与生产模式带来巨大的变革。产品领域中3D打印应用得特别广泛，发展前景远大，同时又影响着汽车、医疗、航天、生物、珠宝首饰、家居、建筑等相关领域。当今，3D打印发展最为明显的就是快速模具技术，甚至科学家们已经研制出可以打印可穿着的衣物的复合纤维打印机，不需要进行二次加工，一气呵成，在浪费材料这个问题上得到了很大的改善，其打印效率与打印速度也在飞速提高。3D打印的市场在我国也是很不错的，政府也一直出台政策在扶持这个行业的发展。3D打印技术衍生的设计、软件、材料、数字制造等新的产业链，正在逐步优化传统制造，构建全新的制造生态。

    5 结语

    作为一种新兴的技术产业，可以预见在将来很长一段时间内，3D打印技术仍然将被大众广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的宽泛的应用前景，许多发达国家纷纷出台本国的3D打印发展规划，发展布局3D打印产业。未来，3D打印技术的进一步改善，不仅会改变传统的制造行业模式，而且也会影响人类的各种生活方式，提高我们的生活质量;并且人们的想象力、创作灵感不再受传统制造行业的束缚，设计师的设计能力与制造能力会有所提高。市场上会不断出现崭新的设计产品，并会更加针对用户的个性化定制设计，人们只需要通过3D打印机就可以得到属于自己的定制产品。

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    作者简介：韩铠（1995—），男，黑龍江人，本科，实验员，研究方向：产品设计。

    孙明阳（1977—），男，吉林人，研究生，讲师，研究方向：产品设计。