運用3D打印技術下的交通工具設計機會研究

王宇　張雷

摘要：筆者基于傳統汽車行業的生產制造方式和3D打印技術的新舊生產方式對比，立足于3D打印技術特性在汽車設計各個流程中的機會點，設計出相應的個性化、輕量化的交通工具，同時通過相關設計方案和汽車在職設計師、專家的共同探索，發掘了3D打印技術在現實量產設計中的意義。同時通過外飾內飾和colortrim的三方面設計嘗試。更多的探索了3D打印在汽車設計領域的應用。挖掘3D打印在現實汽車設計中的參考價值和應用價值。

關鍵詞：3D打??；輕量化；汽車研發流程；個性化汽車造型設計

汽車作為人們出行的代步工具從誕生的一百年到現在，解決了人們快速從A到B的出行問題。而如今傳統的大生產和機械化加工的背后是更多的能源消耗和資源浪費，現有的內燃汽車也給人類的生存環境帶來了巨大的污染，因此，輕量化汽車將是未來的一大發展趨勢。隨著3D打印技術的發展；傳統的設計流程以及固化的設計方法正發生著日新月異的改變，3D打印技術的發展，對于生產制造帶來了巨大的變革。3D打印在工業設計、建筑設計、食物、醫療等領域都產生了不凡的影響，在交通工具的設計研發和生產中，3D打印又能給交通工具、汽車造型設計和設計流程上帶來怎樣的創新？

1.3D打印技術的概念及相關介紹

筆者通過相關閱讀，對于3D打印給出如下解釋：3D打印的學術名稱叫做“增材制造”，“增材”是指3D打印通過原材料的沉淀、黏合的方式將原材料逐層構成三維實體的打印方式，“制造”是指3D打印通過計算機讀取數據，系統性的制造材料層。筆者將3D打印成型分類為以下3類：擠出成型、固化成型和粉末成型（圖1）。

3D打印目前的應用范圍基本以車身的部分產品及體量較小的產品、裝飾件為主，同時還有部分工程上的異形件和容器類結構件。由上圖可以看出，3D打印的應用范圍多為零件、零部件，體積和相關機械結構類的整體解決方案目前限于技術問題還有待解決。

從上圖表中（圖4）。我們能夠看到3D打印的發展簡史，作者在整理中發現，3D打印技術在上世紀80年代誕生后直到近年來才真正進入到商業應用中，也只是剛剛起步的階段。值得注意的是增材減材復合型3D打印機的誕生。極大的提高了打印速度，比激光束3D金屬打印速度快了20倍。通過紅色標注的重點技術突破來看，3D打印技術正朝著打印面積越來越大，精度越來越高，打印速度越來越快的方向發展，所以在未來3D打印技術將會實現設備越來越大、精度越來越高、速度越來越快、打印材料越來越豐富。

筆者通過相關文獻閱讀和資料收集將3D打印的優點歸納為如下幾點：成本優勢、一體化打印，無裝配、按需生產、造型優勢、數字化制造，平臺化生產、開放式輸入、開源制造、環保節能、復制的精確度高、輕量化制造。

其缺點為：第一，3D打印無法完成大批量規模的標準化的生產；第二。現有3D打印的缺點還在于打印速度的有待提高；第三，相關法律文獻和法律制度還不完善；第四，產品精度不夠高，量產應用還缺少相應的探索和推廣。

2.未來趨勢

每當新的通信技術和新的能源系統結合的時候都會發生重要的經濟革命。如今，以互聯網為首的第六次通信科技革命和可再生能源的結合，為第三次工業革命的開展創造了極大的條件。本文認為在數字化和智能化制造的發展趨勢下，3D打印技術的發展和優勢為汽車的加速變革帶來了新的研發、生產方式。

在通信技術、互聯網發展的影響下，以消費者為主導的市場和以往相比也出現以下特點：消費者主動性增強、個性消費歸來。通過馬斯洛生理需求理論，我們得出現代消費者更注重個性實現，情感滿足，心理滿足等一些高層次的需求；同時，作為產品而言越底層的產品越是剛需，也越是工具化，越接近高層的需求越具有自主性和個性。在新一代的族群中，80/90后在經歷的生活環境和個人認同價值中。伴隨互聯網發展，家庭物質基礎的逐漸變好，他們更注重更高層次的需求，消費是為了滿足自己內心的需求，滿足自己的個性和喜好。因此80/90后將是個性化消費的主流群體。

輕量化趨勢，相關研究指出。如下圖，整車質量下降10%油耗就可以下降6%-8%同時輕量化每100千克將節省0.3-0.6升百公里的油耗，同時燃油經濟性將提高3.8%，碳排放減少4.5%。這對于環境污染來說是非常好的幫助方式和可持續發展模式，輕量化將保護環境和降低能源消耗率（圖5）。

汽車造型是作為廠商研發設計中非常重要的部分，不僅要適應當地用戶的需求、審美趨勢也要適應當下時代的趨勢。汽車是集技術、時代、生產、需求的產品。在汽車技術發展中，造型的演變是最具有特色、時代感和感官價值的。我們也能看到汽車作為技術為向導的產物。3D打印技術的發展勢必影響到汽車的型制變化。筆者通過相關實習經驗和日產設計中心的設計流程總結，將現有汽車研發設計流程得出：目前汽車設計研發流程是一個非常耗費時間和物力、人力的過程，目前汽車量產的設計研發周期為36-48個月。設計研發周期的縮短將是汽車研發和各大汽車廠關注的一大趨勢。但仍有以下幾大缺點：數字軟件限制；時間周期長、方案匹配度低；設計方案的可調性較差；設計方案匱乏。

3.3D打印技術在汽車行業中的應用

骨架式——EDGA Genesis概念車通過3D打印的熔融沉淀成型工藝來制造的概念車Genesis。概念車分成兩個大的部分，骨架和外殼，通過合適的設備，未來汽車的制造將會生產出大尺寸、結構完整的大型部件，更易于裝配。輕量化、部件化——Local Motors Strati和EDGA Light Cocoon。Local Motors只需要47個，而正常的汽車零件為20000個。產品的定位是通過微型智能TF來滿足用戶個性的需求，快速的實現用戶自己的概念。而EDGA的外殼應用了織物新材料。大面積的代替了傳統的金屬材料。實現了高效、節能、完全無廢料的生產模式。表皮造型設計——可以應用3D打印技術結合參數化設計的方法，這樣的造型形態也體現了3D打印的優勢，能制造加工異形形態。

在制造方式中，3D打印和傳統銑削模具生產方式的區別為：銑削加工受制于負形形態和異形形態，對于設計和加工成本很高。拔模角度的受限和分模具制造帶來的成本增加。

總體而言，3D打印技術相較于傳統減材制造的生產方式的優勢：第一，傳統成產流程工藝繁冗，3D打印制造過程更為簡潔，單品流程和消耗時間少；第二，3D打印相對應在制造單個產品上個性化程度高；第三，3D打印的數字化程度高；第四，3D打印能制造造型復雜的異形件和裝配好的一體化部件；第五，3D打印可持續性高，環境污染小。3D對于汽車設計整合的意義有：1.符合客戶個性化需求的趨勢，汽車消費中的未來趨勢也是走向個性化和定制化的未來，3D打印技術的生產特點有利于個性化和定制化。2.輕量化汽車更易于實現，3D打印可以通過仿生類結構實現重量和結構的優化，同時通過材料的選擇能夠直接的做到汽車的輕量化要求。3.造型設計更加多樣化。汽車設計中造型的限制條件由于功能和生產成本、制造工藝等因素限制很大。造型設計通過3D技術的到來也開啟了新篇章，在現有設計趨勢中，已經有汽車廠商通過參數化和3D打印結合的方式來表現新的設計語言和概念。3D打印技術能夠很方便、快速的生產異形件和復雜件。4.汽車設計的部件化，3D打印技術的一大優勢就是可以零組裝的一體化生產。這樣原有在汽車中很多的零件可以部件化、模塊化。5.設計流程的優化，3D打印技術在汽車設計研發過程中可以極大的節省用時，設計師的設計工具和設計軟件更多，使用的方式更簡單。6.異形復雜結構零件的制作，3D打印技術對于復雜結構的零件生產很輕松。

3.1Corlor trim方向的設計探索

通過和日產中國設計中心的色彩面料設計師的討論和設計；我們將歐洲審美取向和亞洲審美取向做了一個分析對比。對于中國的審美來說，運動感的認知更偏向于流線型和動感的線性視覺感受，而不同于歐洲機械方正的能力型的動力感。裝飾性的視覺感官從2D平面的裝飾、碳纖紋理正轉向3D有立體感的造型裝飾。結合上述趨勢和觀點。進行了3D打印技術對于COLOR TRIM的探討（圖6、圖7）。

通過paneling tools的建模方式，能夠快速實現表皮3D肌理的設計，同時配合選取之前設計中的關鍵詞，Precision/Provocation/Flowing straggly/Dynamic sporty作為設計肌理的關鍵詞。

COLOR TRIM可行性相對較高，在內飾設計中比較容易實現個性化和現實度，這也是車廠之間的一大趨勢，在做此方案可行性分析時，2015年的日內瓦車展中BUICK的概念內飾中也同樣通過內飾COLOR TRIM的3D化來實現概念展示。同時個性化和相關肌理造型通過3D打印技術實現度很高，這也將是未來汽車內飾設計中的一大趨勢。

3.2內飾方向的設計探索

通過仿生骨架的設計，作為汽車的主題，將內飾以3D打印的方式層層疊加，用戶可以通過自己的個性去選擇內飾的設計方案。同時，骨架的仿生方式可以使用性材料和新技術達到整體內飾的輕量化。通過鏤空和結構化減輕整體重量實現輕量化的設計方案。同時在骨架打印的基礎上通過軟質材質的包裹形成內飾中與人接觸的部分（圖8）。

3.3設計機會點總結

結合上述兩個方向的探究，適度性創新的CORLOR TRIM在現實應用意義中更大。內飾設計中的概念方案是3D打印的未來的發展方向，但只是通過了3D打印技術本身的應用而言。對于傳統的制造流程和制造方式將汽車作為大批量的生產方式還是比較符合，3D打印技術應該和傳統生產技術的優勢結合將更具有應用價值和設計意義（圖9）。

4.設計實踐

綜合前文的分析，設計定位書如下：

目標用戶：在一線城市中對于個性化需求較高的人群（80/90后）；

時間計劃：2025年（3D打印技術發展應用在汽車制造之中）；

行駛區域：城市中的機動車道。（城市干道每條機動車道寬度為3.5米）

方式屬性：私人交通工具。作為年輕人自己的交通工具。個性化的需求，需要彰顯人物性格、背景屬性等（圖10）。

中關村、清華科技園周圍正成為中國硅谷，聚集了大量的新生代族群在此創業，一線城市也成為中國的科技先鋒。目標用戶是以80/90后為代表的具有極客精神的創業族群，通常是作為創業公司的CEO，他們的特點是追求技術環保，喜愛時尚和酷的產品。在他們眼里車更像是他們的大玩具和身份證明。

4.1產品整體布置

由于本文的探討是針對3D打印技術在汽車設計中應用機會研究，通過前幾章的研究和探索，選定的由傳統生產方式和3D打印技術的結合，在用戶和產品車型定位上不再做更多的闡釋，只需要滿足個性化需求人群的特點和需求即可。同時借鑒Shooting break車型的比例進行一定的型制創新。最終確定本設計的最大外輪廓尺寸長寬高為4907x1300x1953mm（圖11）。

4.2前期草圖發散

經過與導師和企業經理的探討之后，選擇了概念設計點進入第二輪創意階段，package的發散（圖12、圖13）。通過package的探討和發散和導師討論后選擇了key sketch進行發展（圖14）。

4.3方案深化及配件細化

在確定了key sketch的基礎上，繼續深化方案，此階段主要完成設計方案的完善和3D造型多角度思考，如下圖所示。同時也進行油泥模型的型面關系和3D造型比例推敲，如油泥制作圖所示。同時進行輪轂方案的細節設計（圖15、圖16、圖17、圖18）。

4.4整體效果圖

設計整體的效果圖如下（圖19、圖20、圖21）。

5.結論

本論文基于3D打印技術的特性進行了嘗試性的探索和可行性分析，將3D打印技術在color trim，內飾設計，外飾設計中基于其技術特性進行方案探索。同時受到3D打印技術的影響，發現設計軟件和設計方法變得更加多樣化，可以利用參數化的設計方法，通過Paneling tools，grasshopper等軟件的學習來完成其中的肌理和表皮的造型設計。3D打印對汽車的影響主要對一體式部件的加工，骨架式的加工，表皮造型都有影響，通過這三方面的設計機會點分別應用到外飾設計、內飾設計、corlor trim設計中去。筆者在通過3D打印技術在汽車設計機會的探索中發現。3D打印和傳統的生產方式相結合對現實的應用意義和實際價值，通過這個機會點去尋求新的汽車設計流程、方法、和造型語言的創新。通過外飾內飾和colortrim的三方面設計嘗試。更多的探索了3D打印在汽車設計領域的應用，對3D打印在現實汽車設計中有一定的參考價值和應用價值。