CAID與3D打印技術研究初探

鄭 霞

廣西師范大學廣西桂林541006

CAID與3D打印技術研究初探

鄭 霞

廣西師范大學廣西桂林541006

當前自從世界上第一臺計算機誕生開始，計算機技術就一直在不斷的發展，尤其是在最近20年當中，計算機技術得到了快速的發展，在各行各業當中具有非常廣泛的運用，在工業設計領域當中我們隨處可以看到計算機技術的運用，其中計算機輔助設計是在工業設計當中使用較為廣泛的計算機技術，當前在工業設計的生產一線以及各大高校設計專業當中CAID都具有非常重要的意義。3D打印技術是隨著CAID技術的發展而出現的一種技術，3D技術在最近幾年當中取得了突破性的進展，其技術已經基本趨于成熟，在實際的工業生產當中也具有非常廣泛的運用。但是當前階段關于CAID與3D打印的相關融合還沒有引起人們的廣泛關注，基于此種情況，本文對CAID技術與3D打印技術進行了研究，對二者進行了介紹與對比，并探究了二者在工業設計領域當中的運用。

CAID；3D打?。挥嬎銠C輔助設計；工業設計

引言

工業設計是在伴隨著工業的發展而發展起來的一個行業，迄今為止工業設計已經有了一百多年的發展歷史。在工業發展的過程當中，人們對工業產品的需求不斷提高，從而促使生產廠家必須要提高產品的外觀、構造以及形態，從而促進了工業設計的誕生。工業設計最初的內容就是對單個產品的開發設計，現如今工業設計已經逐漸成為了整體性的服務與產品生命周期當中的系統設計，其內容被不斷的豐富與完善，這種設計方式的轉變也對人們的日常生活產生了較大的影響。我國的工業設計起步相對較晚，在上個世紀80年代，我國的工業設計才逐漸開始走進人們的生活當中，同時當時的工業設計水平相對較低，工業設計受到藝術設計的影響也相對較大，設計的內容主要是產品的外觀方面[1]。隨著改革開放的不斷深入，我國的經濟持續高速發展，到上個世紀90年代左右，經濟的發展推動了我國制造業的發展，在這樣的背景下，我國的工業產品制造技術不斷趨于完善，同時工業產品的生產在社會當中也火熱開展起來，同時在這個時期以計算機為代表的信息技術開始走向成熟，因此利用計算機進行工業設計就開始在工業設計領域當中出現，從而出現了計算機輔助工業設計，即CAID，在CAID技術開始在工業設計領域當中廣泛運用的同時，3D打印技術也出現了，但是3D打印技術在很長的一段時間內都處于停滯不前的狀態當中，直到2010年左右，3D打印技術才取得了突破性的進展，3D打印技術才被運用在實際生產當中，尤其是在工業設計領域當中具有非常廣泛的運用，許多設計師通過3D打印技術進行產品的設計，有效的縮短了產品研發的周期，省去了設計過程當中的模型制造與審核的環節，極大的推動了工業設計的發展[2]。

一、CAID簡介

計算機輔助工業設計是從計算機輔助設計發展而來的一個新的概念，隨著計算機技術的不斷發展，許多配套的設計軟件也逐漸成熟起來，如CAD與有限元軟件等開始出現，從而允許計算機被使用在設計領域當中。而CAID就是計算機輔助設計的英文縮寫。從CAID的本質上進行分析，CAID技術是在工業設計與計算機技術的支撐下系統形成的一種全新的技術，是與傳統的工業設計存在著極大的差別的設計方法，與傳統的工業設計方法相比，CAID在設計方法、設計過程、設計質量和設計效率方面都發生了顛覆性的改變，從而為工業設計的發展提供了重要的動力。CAID技術是一種包含了多種不同屬性的計算機技術，如虛擬顯示技術、模糊技術、人工智能技術、多媒體等，同時不同的技術之間也存在著一定的交叉，由此可見CAID技術是一種綜合性的技術[]。

在工業產品的開發過程當中，往往需要經過多個環節才能使得最終的產品得以實現，首先需要對市場進行必要的調查，了解用戶對產品的實際需求，并設定產品的市場定位，再繪制草圖與效果圖，之后還需要制造出數據模型與實物模型，最終才能進行產品的批量生產。在這個過程當中產品的可視化過程是非常關鍵的一個部分，只有做好這部分工作才能在產品量產之前對其中所存在的不足支出與錯誤進行改進，從而促進了產品的完善，在進行可視化工作的過程當中，往往需要CAID技術的支撐，例如在進行產品效果圖繪制的過程當中，我們可以利用PS、Coreldraw等計算機輔助設計軟件進行二維效果圖的繪制，利用3DMax等軟件進行三維模型的設計。而在數據模型階段，CAID也具有非常廣泛的運用，例如可以使用一些工程類的軟件進行工程模型的制作，如SolidWorks與CATIA。從而為后期的產品生產做出充分的準備。在進行產品設計的整個過程當中使用CAID技術進行設計相比于傳統的使用手工效果圖與模型制作的方式極大的提高了涉及的效率，同時也使得設計的精確性得以有效的提升。當前階段在工業設計領域當中使用CAID技術進行工業設計的相關軟件已經非常的豐富，尤其是在計算機硬件不斷升級的基礎上各種軟件的性能也得到了極大的提升，并不斷的朝著智能化與集中化的方向發展。因此，在未來計算機會完美呈現設計者的設計構想，不用去花費太多的精力和時間去學習各種軟件建模、渲染技術。這樣是技術對設計師的一種解放，讓設計師可以把更多的精力集中到設計創造階段[4]。

CAID在工業設計當中的應用也不僅僅局限于設計表現方面的運用，我們可以將CAID技術推向工業設計的全過程，例如，在進行工業產品的前期調研過程當中，我們可以利用計算機對相關的調研數據進行充分的分析與論證，從而提高產品市場定位的精確性，在最近幾年發展起來的大數據技術就可以充分的使用在該領域當中。還有設計過程中對產品的人機工程學分析，只要有了數據模型，我們可以通過計算機輔助設計技術，用人體數據庫對設計進行檢驗，提出更合理的人因工程分析數據，幫助設計師改進設計。這些都是計算機輔助設計技術應該發揮作用的方面[5]。

二、3D打印技術與工業設計

3D打印技術是在上個世紀90年代才出現的一種全新的制造技術，3D打印技術需要以存儲在計算機當中的模型數據為基本依據，利用塑料或者粉末狀的材料通過逐層打印的方式來將實際的物體制造出來。3D打印技術在問世之后，廣受設計人員的歡迎，被廣泛的使用在設計模型的制造方面，但是隨著3D打印技術的不斷發展，3D打印的應用已經不再僅僅局限在設計領域當中，在實際生產當中也具有非常廣泛的運用，一些工業零部件已經開始采用3D打印的技術開始生產[6]。

但是總體來說3D打印技術在工業設計領域的應用相對來說還是較多的，在傳統的工業設計當中，在設計的最后階段都需要制作一個模型，用來測試和檢驗設計的可行性和合理性。一般來說一個模型的制作周期大約為1周左右，模型的成本相對來說也較大，同時通過手工制作的模型在精度方面還存在著較大的問題，如果還需要進行開模的話，模型的價格則會更高，但是如果采用3D打印技術進行模型的制作，只需要通過一臺3D打印機與制作材料在幾個小時之內就可以將模型制作出來，同時模型的精度還非常高，這就可以使得產品開發的過程被極大的縮短了，同時也可以有效的降低制作成本。當前階段3D打印機的制造技術已經非常成熟，其成本相對來說也較低，許多企業都會為設計工作配置3D打印機，甚至還有部分企業推出了家用的3D打印機[7]。

3D打印技術的出現對制造業與工業設計帶來了革命性的變化，當前階段3D打印在工業設計與制造方面的應用已經在很大程度上改變了人們的日常生活，例如可以通過3D打印技術進行房子的制造，可以使得一些生活在極端環境下人群的居住環境得以有效的改善，通過3D打印技術還可以進行人體器官的打印，從而避免了大量的器官移植需求得不到滿足的現狀。

三、CAID與3D打印技術在工業設計方面的結合

CAID技術與3D打印技術本來就是兩種相輔相成的技術，3D打印技術必須要以一定的數據模型作為打印的基本依據，而3D打印技術則將虛擬的工業設計轉變成了實際的模型，因此，如果實現CAID與3D打印技術在工業設計方面的有效結合，則可以推動工業設計產業的整體發展，同時也會使得這兩種技術的實際運用得到一定的推廣[8]。

在下文當中，筆者將通過一個自己實際操作的案例分析CAID與3D打印技術在工業設計方面的實際運用。在該案例當中，需要進行一個吉祥物的設計，設計的原稿是由他人進行設計的，因此，在此僅僅討論數據模型的制作過程與3D打印的實際過程。下圖一為通過CAID技術所制作出來的二維效果圖，這兩個吉祥物分別被明明為花花與桃桃，其人物造型是以花與桃子為原型的，三維模型制作階段應用了McNeel公司開發的Rhinoceros軟件和多邊形建模插件T-spline。借助于T-spline的自由多邊形建模功能，在數據模型的建構過程當中，首先需要構建花花與桃桃的身體部位，再通過多邊形轉NURBS曲面的命令，轉成Rhinoceros軟件中可用來編輯的NURBS曲面[9]。在完成這些工作之后還需要對人物的身體方面的細節進行充分的修飾，最后才能完善數據模型的構建，數據模型的構成如下圖二中所示。在完善數據模型的建構之后，需要將相關的模型數據保存為STL格式，并將相關的數據導出來，在導出數據之后，再將相關的數據信息導入到與3D打印機相連的計算機當中的打印軟件。在該案例當中所使用的3D打印機是我國國產的3D打印機，打印機與打印軟件如下圖三中所示，通過定位、打印尺寸等的設置后打印機便會執行指令，開始逐層打印，直到打印完畢。最后還需要對3D打印所得出的實際模型進行簡單的人工處理，最后就可以得到模型。在該案例當中從最開始的數據模型的構建到最后的打印完成耗時一周不到，所得到的模型效果也相對較高[10]。

圖一 二維效果圖

圖二 三維數據模型

圖三 3D打印機與打印軟件

圖四 3D打印的最終模型

四、結語

在本文當中，筆者對CAID與3D打印進行了簡略的介紹，并以此為基礎分析了CAID與3D打印技術在工業設計領域當中的應用，最后通過實例對二者之間的結合進行了分析。我們可以發現，將CAID與3D打印技術結合在一起可以有效的提高工業設計的效率，在提高設計速度的同時，還能提高設計的質量，并有效降低設計成本，應該在實際的使用過程當中大力推廣。

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[2]劉宏偉,翁益平,張云坤,徐南偉,童晶,王彩梅.計算機輔助設計及電子束熔融快速成型金屬3D打印技術制備個性化股骨假體[J].中國修復重建外科雜志,2015,09:1088-1091.

[3]徐步光,李丹榮,寧銳劍.3D打印技術在口腔種植領域的應用及對牙科工業發展的革命性影響[J].中國醫療器械信息,2015,08:13-18.

[4]王靜,袁榮濤,董苻.計算機輔助手術系統與3D打印技術在口腔頜面部缺損修復重建中的應用[J].國際口腔醫學雜志,2016,06:725-728.

[5]張楠,李飛.3D打印技術的發展與應用對未來產品設計的影響[J].機械設計,2013,07:97-99.

[6]張瑩.打印出一個三維世界——談3D打印的發展和工業設計的關系[J].天津美術學院學報,2013,02:86-87.

[7]姚強,王麗平.“萬能制造機”背后的思考——知識產權法視野下3D打印技術的風險分析與對策[J].科技與法律, 2013,02:17-21.

[8]孟慶華,汪國慶,姜的宏,汪培慶.噴墨打印技術在3D快速成型制造中的應用[J].信息記錄材料,2013,05:41-51.

[9]張韜略,黃洋.3D打印時代我國專利權人的維權困局及出路[J].電子知識產權,2014,05:39-45.

[10]孟炯.滿足個性化需求的3D打印定制模式創新——兼論實現個性化定制模式的商業化策略[J].科技進步與對策, 2016,15:22-29.