3D打印技術在產品設計中的應用概況

付航?李鵬

摘 要：3D打印技術正處于不斷發展的階段，主要的工藝和材料不斷更新，3D打印技術在滿足個性化產品需求和實現復雜結構產品制造方面的作用和優勢，以在玩具、家居制品等領域中最為突顯。3D打印技術在產品設計領域的推廣和應用前景廣闊，其在產品設計領域的應用現狀，為其在該領域的進一步應用拓展啟發思路。

關鍵詞：3D打印；材料；產品設計

一、前言

3D打印技術具有傳統制造工藝所不具備的優勢，例如產品多樣化的同時不增加成本、無需組裝、零時間交付、零技能制造等，且已經在航空航天、汽車制造以及工業裝備制造等領域得到應用。在產品設計領域，因為今后個性化和定制化的產品會逐漸成為市場主流，而3D打印技術可以按照消費者的個體想法生產物品和創意作品，使產品的個性化設計與生產成為可能。本文著意介紹了3D打印技術與材料的基本知識，并概述其在產品設計領域的應用現狀，為其在該領域的進一步應用拓展啟發思路。

二、3D打印技術概述

（一）工藝

目前，3D打印技術所使用的較成熟的工藝主要有熔融沉積成型（FDM）、激光近凈形成型（LENS）、熱熔膠粘接薄材（LOM）、光固化成型（SLA）、粉末激光燒結成型（SLS）和噴涂粘接成型（3DP）。

1.FDM：是斯科特·克倫普于20世紀80年代發明的。FDM打印機沉積材料的打印頭通常沿著一系列的水平、垂直軌道移動。沉積第一層時，打印頭先勾勒出要打印物體的輪廓，然后打印頭來回掃描以填充輪廓。第一層打印完成后，打印頭會略微抬起，然后回落并開始第二層打印。3D打印機持續重復該過程，打印出設計文件所描繪物體的每個橫截面。

2.LENS：將材料粉末吹入精心引導的高功率激光束。錯過光束的粉末會落在一邊，遇到激光焦點的粉末會立即融化并融合到增長部分的表面。因此，當激光的焦點掃描過打印對象的輪廓，打印頭吹出更多的粉末時，部件就會一層一層地逐漸增長。

3.LOM：將材料薄片層壓成一個單獨的三維實體。在設計文件的指引下，刀具或激光束將實體外形的輪廓從紙、塑料或金屬的材料薄片中切出，切完一張薄片后，鋪入一張新的黏合薄片開始下一層的切割。打印機將切好的紙、塑料或金屬薄片堆疊在一起，當制作對象的所有橫截面都切好后，將這些切片層按壓融合為一個三維實體。

4.SLA：通過激光掃描光敏聚合物來形成三維實體。它的工作原理是激光掃描光敏聚合物以后，打印機臺面下沉，將已經打印的部分沉入液體中，新的光敏聚合物覆蓋其頂部，如此往復，有些SLA打印機以相反的方式工作。

5.SLS：由德克薩斯大學研究員卡爾·德卡德和約瑟夫·比曼于20世紀80年代發明。它不使用液態光敏聚合物，而是使用粉末，采用二氧化碳激光器將粉末狀材料選擇性燒結成固體件的方法成型，打印過程完成后物體被最終埋在粉末下。

6.3DP：3DP是在20世紀80年代由麻省理工學院的學生保羅·威廉姆斯和他的導師伊萊·薩克斯教授發明的。它是通過打印頭將黏合劑或某種膠擠到原材料粉末中打印實體的。由于3DP打印機通過在原材料內擠入膠水生成層，所以并不需要激光，而且有很多原材料可以使用。3DP打印機不需要高功率的組件，因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光，從而很難制造出很薄的層，制造出的物體往往表面粗糙，但可以彩色打印。

（二）材料

根據不同的3D打印的制造工藝，對應著不同的3D打印材料（表1）。

此外還有應用于打印消費類電子產品、醫療設備以及汽車輪胎、墊片、內飾等的橡膠材料、陶瓷材料，以及應用于珠寶和藝術品的玻璃材料。

三、3D打印在產品設計中的應用

（一）玩具

3D打印技術的流行和普及將定制化的理念融入到玩具的設計和制造中，人人都可以成為生產者，資源和能源的浪費也將大幅減少。一家名為Dream Factory的公司2015年發布了一個專門為4-10歲之間兒童設計的3D打印城市玩具“Buddyracers”（圖1）。完整的“Buddyracers”系列是由Dream Factory的3D構建師Fabian Magri和John Revilla設計的，整套城市玩具包括建筑物、樹木、街道設施、人物、車輛等70件3D打印模型。Dream Factory公司表示，除了這70件3D打印模型以外，孩子們還可以通過定制和創建新的3D模型來擴展自己的玩具數量。Dream Factory的首席3D構建師Yanizo稱：3D打印每輛車需要1個半小時，每個角色需要20分鐘，這些模型在設計初期都經過精雕細琢，以減少打印時間，并且不需要支撐結構。

（二）家居制品

3D打印技術能夠打破傳統的造型理論，可以制作許多傳統制造工藝很難制作或無法制作的家具。在巴黎制匯節上，Drawn公司用他們自己設計的加拉太亞3D打印機制造了巴比倫椅（The Babylon Chair）（圖2）。

從外觀來看，其表層質量非常均勻，而且每層都十分流暢和一致。逐層堆積形成的一圈圈紋路使家具的造型更加獨特和美觀，給我們帶來視覺上強烈的沖擊力。

意大利3D打印機制造公司Sharebot與意大利家具公司Nespoli結成合作伙伴，共同開發3D打印家具——細木工板護壁板（Boiserie）的解決方案。Nespoli和合作伙伴對裝飾元素進行三維掃描，制作成可以任意縮放尺寸的三維模型，然后使用Sharebot XXL 3D打印機完成細木工板護壁板的制造。三維打印機使用FFF（熔融纖維制造）技術，可以打印出700mm×250mm×200mm的高精度實物（圖3）。這個項目，使數字化制造和現代化產品完美結合，讓3D打印制作細木工板護壁板這樣的裝飾性元素成為可能，讓那些已有百年歷史的傳統技術更完善。

（三）文化娛樂

1.藝術品擺件

3D打印技術的成熟使得一些原本難以用手工完成的工作變得容易實現，同時也激發了藝術家的創作靈感，比如一個3D打印的個性化花瓶（圖4）。它是用石膏粉摻入粘結劑，注入到打印噴頭中，逐層打印出來的，產品成型后使用密封膠以確保耐用性和更多生動的顏色，3D打印使這種具有奇特造型的設計變成現實。

2.樂器

美國密歇根大學的工程系學生Daniel Olson使用一臺桌面級3D打印機（（MendelMax 2.0 3D打印機）完整地打印出了一把三閥小號（圖5），它是由17個獨立的零部件（使用的是ABS材料）組成的，最后組裝到一起，形成了外觀和感覺與普通的小號一樣的作品。它雖然能夠演奏曲子，但音質不好。

3.個性消費品

由于3D打印能夠制造各種形狀相對復雜的配件，所以3D模型設計師精心設計的各種樣式的3D模型得以展現，其外形美觀、經久耐用。Polychemy公司利用3D打印技術打印出了極具個性的手機殼（圖6）。它用堅固有彈性的聚酰胺塑料，利用3D打印機打印出模板，之后經過雕刻而制成。Polychemy公司還推出了指紋、漩渦、迷宮等圖案的手機殼，另外還可以把自己的名字融入到設計中。這些3D打印的手機殼給人留下深刻的印象，不僅實用，且外形美觀，充滿時尚氣息。

4.定制鞋

傳統制鞋工藝中，設計，做模型，再做鞋子，重復上千次才能制作出與設計師構思完全相符的鞋子。2013年，Earl Stewart在惠靈頓維多利亞大學Ross Stevens的指導下，設計了“XYZ shoe”。“XYZ shoe”有151XYZ和098XYZ兩種款式，展示的是151XYZ（圖7）。Earl Stewart利用精確的3D掃描技術制作個性化的3D打印鞋，每只鞋都用3D掃描儀掃描使用者的腳，以獲得準確無誤的尺寸，然后將這些數據傳送到多種材料的3D打印設備中，將掃描數據轉化成精密的物體，最終設計制造出靈活舒適的個性化鞋子。這不僅滿足了設計師的要求，也滿足了使用者的需求，充分體現了3D打印定制化、個性化、小批量生產精細產品的優勢。

四、3D打印在產品設計中所面臨的問題

3D打印有五大子產業，即設備商、材料商、設計軟件供應商、設計師、云設備商。在產品設計領域，3D打印技術激發了設計師的創作靈感，但在設計軟件的完善、更加精確的模型輸出格式等方面依然存在著亟待解決的問題。目前諸多的實例證明，3D打印技術可以與設計完美地結合在一起，但是如何讓其成為產品，形成可行的產業鏈成為至關重要的問題。例如：3D打印家具受材料和工藝的限制，不具有傳統制造工藝的優勢，另一方面，3D打印材料的環保性等各項指標還有待專家部門的權威檢測和認證。現在雖然可以用3D打印機打印較大的家具實物，不過其價格非常高。但在家具的連接結構和復雜結構家具的生產方面，3D打印技術可以與傳統制造工藝相結合，形成互補，從而制作出更加舒適和美觀的家具。

3D打印技術正處在不斷發展的階段，其本身又存在先天性不足：3D打印技術的相對單一制約了材料的更新，而新材料的不斷研發又會帶動技術的更新，二者是相輔相成的，而3D打印技術的打印時間過長、打印尺寸有限制及大批量生產無成本優勢等方面使3D打印仍不能代替傳統制造工藝。在產品設計領域，我們需要更精確，更快的打印技術以及更豐富的打印材料。

五、結語

通過上面的例子我們可以看出，3D打印技術在產品設計領域已經得到應用。在產品設計領域，3D打印技術可以滿足個性化產品需求和實現復雜結構產品制造，這激發了設計師的創作靈感，將設計師與普通人緊密地連接在一起，為產品設計帶來新的生命力，其發展前景十分廣闊。同時，3D打印技術也存在一些設計、技術和推廣上的問題，今后，隨著這項技術的成熟與發展，必將在產品設計領域得到更加廣泛的應用。

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作者簡介：

付航，東北林業大學材料科學與工程學院研究生。研究方向：家具設計。

李鵬，博士，東北林業大學材料科學與工程學院，教授。