3D打印技術與產品設計發展的關聯性研究

王子豪

摘 要：3D打印技術的日益成熟，改變了傳統產品設計的設計方式和生產流程，為制造業與產品設計的商業化發展提供了無限的可能，也使產品結構和設計手法不再受到工藝本身的局限，給予設計師更多自由的空間。催生了與新技術手段相匹配的全新理念，對未來產品設計的發展方向也產生了巨大的影響。

關鍵詞：產品設計；3D打印；工藝；設計方式

一、3D打印技術現狀

3D打印技術是以3D模型為數據支撐，利用材質的增減將材料轉化為實體的電腦模型轉化技術。3D打印與傳統制造業相比最大的不同之處，就是其個性化的設計方式給用戶帶來了良性的用戶體驗。3D打印符合現代市場的個性化、精密化的產品要求。20年的發展時間讓3D打印有了巨大的進步，精準度與制造速度都得到了極大地提升。目前的設計精確度能達到0.01mm，單位厚度上分辨率能達到600dpi。而作為基礎打印的材料其領域也逐漸擴展到不同的方面：生物細胞作為材料可以打印器官、骨骼；建筑的直接打?。粰C械類零件的打印；甚至以納米技術為支撐，未來的3D打印可以打印納米機器人。3D公司Stratasys已經能夠支持近200種材料的3D打印，而隨著人工智能和納米技術的發展，3D打印也將在信息技術、材料技術、生物技術、航天技術等領域發揮巨大的作用。

二、產品設計理念的發展與3D打印的關聯

產品設計的設計理念往往受到技術的掣肘頗多，工業革命之前，產品設計的發展都處于手工作坊階段，近千年的時間里產品設計的理念幾乎沒有變更。而工業革命之后大批量的工業化生產代替了人工制造，而在此期間設計也從個性化的定制轉變成了工業制造。消費者在進行消費的過程中，逐漸發現個性化的產品被大量的工業產品所替代，雖然大大的降低了人工的成本，但也造成了程式化的產品大量充斥著市場。個性化的產品成為了小眾藝術或者傳統手工藝被保護起來，或是成為了奢侈品被少數富人消費。例如手工西服的制造，在工業革命之后大量的手工作坊被替代，工業生產的制式西服出現在市場之上。人們被迫購買一些西服，為了適應標準化的服裝尺寸和樣式甚至出現了上衣和西褲并非同一標號的情況。所謂千人千面，每個人的身體都有著細微的差別，沒有一模一樣的兩個人。個性化的需求又一次被人們所懷念，3D打印技術的出現在工業化生產與個性化需求之間尋找到了一個平衡點。3D打印完全可以按照消費者的身材、習慣和審美設計出與之相匹配的產品。3D打印將實現私人定制與快速生產的技術要求，甚至消費者可以根據自身喜好進行設計，設計將成為每一個消費者可參與的過程而非是設計師的特權。未來的設計理念也將轉變為個性化設計，設計的核心要點不再是流行時尚或者符合大眾的需求，而將轉化成對于審美、修養、理念、喜好等要素的集合體。

三、產品生產方式發展與3D打印的關聯

材料轉化制造技術是個性化與工業化相融合的技術支撐，是將工業化的、低廉的人工成本、快速的制造速度以及復雜的制造流程與全新的設計材料、個性化的用戶需求和低碳環保的設計理念相結合，形成3D打印產品未來的生產方式。全新的生產技術為產品的制造形式與結構帶來革命性的改變。

（一）產品的外觀方面的發展

產品設計師除了對于人體工程學和易用性等方面的關注外，科技的發展使得許多人類的夢想變為了現實，而隨著科技水平的進步也使得人文關懷逐漸融入到設計當中。3D打印技術的運用，產品生產方式逐漸打破了原有的思維束縛，產品概念的實現不再受到其外觀的復雜程度的限制。產品突破了局部零件加工，再到整體組裝的模式，渾然一體的造型不再是夢想。產品功能性和美觀性也得到了前所未有的技術支持，“存乎一心”的個性化需求成為了設計的重點。從而使產品呈現了多元化的發展方向，依據個性化的需求而被設計成各種形式，具有不同的外觀表現。人對于某項要素的需求成為表現的重點，展示性的美觀需求、實用性的技術需求、發展性的環境需求以及應用性的經濟需求統統可以被當作要求被重點突出，設計師可以根據需求自行控制每項設計要素所占的比例。外觀的發展不再受技術約束，模型澆筑被替代，打破了設計與生產之間的瓶頸。

（二）3D技術促進了結構設計方式的轉化

產品結構的復雜程度決定產品價值，對于工業革命之后的制造業來說是不變的真理。大量的產品由數以百計的零件組成，在這一過程中，產品的質量、形狀、精密度、故障率都會因裝配產生誤差，導致極高的廢品率。產品結構趨于一體化是一個方向，也是導致3D打印出現的主要原因。3D打印不僅減少了大量的裝配過程中的浪費，節約了組裝成本、材料成本、能源成本，還在這一過程中使得產品的故障率大大降低。3D打印技術的出現，使得類似于“一顆螺絲釘的松動導致整個機械的運轉停止”這樣的問題就不再會出現?？梢哉f3D打印技術完全改變了結構設計方式，讓結構更簡單、更可靠。全新的鉸接結構讓材料一次成型，無組裝的設備不僅提高了生存效率，更使得產品強度增加，不會出現由于結構的復雜導致產品價格的增加或是穩定性的下降等問題。

（三）生產規模的轉變

由于工業化生產主要依賴于機械，生產不同產品的機械也各不相同，各種零件的生產都需要單獨的機械進行制造，這就大大的限制了生產規模和個性化的發展。例如生產螺絲釘的機器就不能生產皮鞋，而3D打印就完全改變了這一模式。針對不同的產品只需改變電腦模型即可，而沒有固定的模具限制，這也為小批量、定制化的生產奠定了技術基礎。

四、產品研發方式發展與3D打印的關聯

眾所周知，產品研發方式或者說產品的設計流程是設計者和生產者雙方極度重視的一個環節。在產品研發的過程中會受到多方面因素的限制，例如研發周期過長、設計修改次數較多、設計溝通不順暢、設計表現度較差、設計缺陷發現較晚、設計保密度較差等一系列問題。

現代社會發展速度極快，設計表達也進入了扁平化方式的時代。這就要求設計師或者生產廠家更快地將產品模型或者實物展示給消費者或投資人?，F有的方式是設計師或者廠家通過效果圖等二維圖釋進行產品概念溝通，而產品或者實際模型則要遠遠晚于設計。不僅產品的設計周期較長，還容易出現色差、功能性不足、甚至設計缺陷等問題。

首先，3D打印技術的出現不僅能使產品更快地展現在消費者或者投資商的面前，也能夠方便設計師更好更早地發現問題、解決問題。在設計初期將問題扼殺在搖籃當中，避免后期的重復設計過程，縮短了設計研發周期。

其次，3D打印技術能彌補原有二維空間表達的不足之處，讓實際的三維模型更完整地表現產品質感、色彩、觸感。也讓設計理念更好地轉化為實踐方案，方便各環節和各個部分同時協調運作。例如色彩的選擇和材質、比例的制作就不需要有前后順序的要求，設計速率大大提高。3D打印技術將模型提早引入到設計討論過程中，更能夠明確產品內外結構的缺陷、功能性的優劣，在設計研發過程中起到革命性的作用。

最后，3D打印應用到產品研發的過程當中，會使產品更早地從意向變為現實，這其中的好處不言而喻。讓產品更早的上市，占有更多的市場份額；評定技術專利等知識產權保護更為有利；規避設計中研發危險避免被他人盜用設計靈感。3D打印技術在產品研發過程當中起到了至關重要的作用，現代社會中時間就是一切，減少設計研發的時間就是獲得了先機。

五、結語

3D打印技術對整個產品設計產業，甚至設計領域都帶來極大的改變，從設計理念到設計形式都發生了重大的變革?，F代的設計制造都是按照“需求——設計——研發——測試——制造——上市——消費”的過程完成的。但由于設計、研發、制造等環節的拖延，前沿科技對于設計實踐而言存在著時間差。3D打印技術讓設計師不再受制于制造業、加工業。生產不再受到規模的限制，想法與實現的過程變得更加貼近。設計的瑕疵、體驗、反饋都會在第一時間里反映到設計師的手中，設計的研發過程成為了一種去除錯誤的過程，而不是遇到問題就推倒重建的過程，極大縮短了設計研發的周期。

3D打印技術更是個性化設計的福音，個性化的設計最大的問題就在于生產量小和生產能力差這兩個方面。3D打印在技術上實現了快速生產，并不會由于產量決定生產與否。設計師在未來的設計方式就是接收私人定制，不再受到庫存、渠道等方面的限制。而在后工業時代，消費者成為了主導。消費者對于產品具有更多的決策權力，消費者的角色從現在的被動消費，變為了參與設計的主動消費者。設計師只是扮演溝通、組織的角色，從而打破生產環節的壟斷，形成小規模、快速化、個性化、有參與感的生產模式。讓產品設計獲取全新的靈感，也使得消費者的需求與設計相結合，從而設計出全新的產品。在3D打印技術與產品設計發展的關聯性研究過程當中發現，3D 打印技術改變了工業革命以來的現代制造業的游戲規則，更使設計呈現了全新設計活力，打破了設計的思維壁壘。使設計不再受到技術的掣肘，真正成為創造力的承載，個性化的品牌和生產消費者也會應運而生。

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作者單位：

天津商業大學藝術學院