3D打印技術在產品設計中的運用研究

賴詩卿

關鍵詞：3D 打印技術;產品設計;運用

1 3D 打印技術概述

3D 打印技術是指根據產品模型三維空間的情況，用材料將模型一層一層堆積而成的工藝，又稱為增材制造。根據選用的材料和成型工藝的不同，可以分成熔融沉積工藝（FusedDeposition Modeling，FDM）、液態光敏樹脂選擇性固化工藝（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、粉末材料選擇性燒結工藝（Selected Laser Sintering，SLS）等常見的幾種類型。

1.1 熔融沉積工藝（FDM）

熔融沉積工藝沒有用計算機控制激光能源，使激光將液態光敏樹脂或者粉末狀的材料固化，而是將各種絲材（如聚碳酸酯PC、工程塑料ABS 等）加熱熔化進而堆積成型的方法。FDM 相比較而言，加工的成本比較低，所用的材料是環保材料，不產生廢料和有毒物質，對于加工環境要求不高，但是其加工的精度比較低，導致零件比較粗糙。

1.2 液態光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）

液態光敏樹脂選擇性固化工藝是一種最常見的3D 打印成型工藝，激光在計算機的控制下對液態光敏樹脂按照零件的分層截面的輪廓為軌跡進行逐點掃描，被掃描截面的光敏樹脂和激光產生聚合反應，從而形成薄層截面。當一層截面固化完畢，升降臺自動向下移動，依照相同的原理形成零件的另一層截面，同時刮板刮去多余的固化樹脂，激光束還會對形成的截面之間進行掃描，使得兩層截面之間牢固地粘合在一起，重復前面的工序直至完成整個零件在樹脂槽內的固化。SLA 適合加工結構特別復雜且體積小、造型精細的產品。其模型的形成過程可以在自動化的環境中進行，模型表面處理精度高，尺寸誤差小[1]。

1.3 粉末材料選擇性燒結工藝（SLS）

粉末材料選擇性燒結工藝和液態光敏樹脂選擇性固化工藝的原理有許多共同之處，同樣是將工件的切片在激光的作用下對切片的輪廓逐層固化，不同之處在于SLS 采用的材料不論是金屬還是塑料事先都要形成粉末狀，將粉末材料固化成固體性質。SLS可以使用的材料比較廣泛，包括金屬和陶瓷等，同時因為其成型的時間短，精度高，并且可以完成不同性能的合金材料，在工業領域得到了極大地運用。

2 3D 打印技術在產品設計中的運用思路

2.1 3D 打印技術在樣品模型中的運用

2.1.1 樣品模型的快速成型

在市場調研后，確定了消費者的需求，根據設計方向繪制產品的草圖、效果圖。傳統的產品設計根據效果圖做產品的實物手板來進一步驗證產品的缺陷和不足，針對缺陷進行改進，直到不能從個別的手板中找出不足。但是手板是人為手工的制作或者在半自動化的過程進行的，需要耗費大量的時間和精力，制作過程復雜，手板模型還會出現較大的精度誤差。

3D 打印技術改善了傳統產品設計的弊病，在模型的制作中可以快速獲得立體模型，使得設計師可以高效地查看模型結構設計的合理性和驗證功能部件正常運行，在評估和驗證之后并作出有效地調整，相較于傳統的手板制作降低了模型制作的難度，提高工作效率[2]。3D 打印技術在計算機輔助下可以提高產品模型的精度，尤其適用于高精度模型的制作。

2.1.2 過濾性與驗證性的創新過程

設計想法形成的過程是不停地探索和反復地過濾，直到最終想法的形成（如圖1）[3]。產品需要打磨，不僅僅包括模型本身，還打磨想法和創意，手板模型耗費巨大的精力，而3D 打印技術卻能夠快速形成樣品模型，這樣在創意轉瞬即逝的產品創新開發的過程中能夠迅速抓住迸發的想法。

在產品開發的生命周期中，從產品需求到消費者手里的具體產品甚至是回收的過程中并不是一個正向的順暢的過程，有的時候會在某個環節停止，然后往回推導的反復驗證的過程，這種過程是常見的，3D 打印技術為這種常見的過濾性與驗證性的過程提供高效的可能性。

產品設計在新產品開發過程中有兩個重要的階段，第一階段是設計產品的外觀，包括造型、材料、色彩、肌理等，第二階段是產品的內部結構設計，通過卡扣、限位、螺絲柱等來實現產品運行的可能[4]。盡管可以在計算機中預覽產品的模型、部件的性能分析和材料可行性。3D 打印技術的成品模型仍然能夠在現實中直觀地展示各部分零件之間的相互作用，看到產品的外觀造型，驗證各個部件之間安裝拆解的可能性。

在產品需求、方案效果圖、材料工藝顏色選擇、模型樣品制作的產品開發周期中，可以在每個環節進行開發的驗證或者在前面的環節重新推導。因為樣品模型的成型時間大大縮短，從而提高了研發的效率。

2.1.3 釋放想象的空間

在新產品設計研發的階段，設計師要應付產品需求下的方案制作，效果圖呈現和模型的制作，傳統的手板模型需要設計師手工或者在半自動化的環境下制作，極大地耗費了精力，然而3D打印技術能夠快速形成樣品模型，設計師能夠將更多的精力放在產品外形和創意功能的實現上[5]。設計師并非只依靠個人的力量，而是在設計活動中扮演組織者的角色，創新有時候往往是在高效協作和輕松愉快的環境中產生的。

3D 打印讀取的是.Stl 格式文件，.Stl 文件格式的模型是由三角形的網格組成的[6]。三角形的網格越小，打印模型的精度越高，這樣為模型的精密結構和細微的表面表現提供了可能，在復雜的造型上，尤其在曲面制作和紋理的加工，手工制作往往比較難以實現，3D 打印技術的高精度模型是設計師想象空間的外延，幫助設計師由想象的產品變為現實。

2.2 3D 打印技術在產品批量生產中的運用

3D 打印技術是將材料逐層打印疊加的方式形成模型，稱之為“增材制造”，相比較于傳統切、削、車、銑、磨，將部件的材料去除的“減材制造”加工工藝，節約了生產的成本[7]。

加工成品的過程中根據部件材料的性質選用不同的加工工藝，金屬、木材等需要刀具的切削、轉孔或者機器的沖壓，塑料、陶瓷、玻璃等需要用到模具成型。在產品的批量化生產中，模具的加工需要較多的人力、物力和較長的周期，3D 打印技術的“增材制造”方式省去了模具的開發和制造的環節，根據三維模型進行逐層打印，實現了生產材料的“零”浪費[8]。

2.3 3D 打印技術在零部件維護中的運用

在產品批量化生產的階段，根據市場情況，可以加工生產多余的零部件來滿足未來產品容易壞損的部分。但是因為千變萬化的市場情況和企業成本的考慮，產品零部件有時候需要在維修和售后得到解決，3D 打印技術的靈活性和便捷性可以解決快速形成零部件的問題。產品需要維修的時候，消費者可以針對產品的某個部分零件進行拆除，然后利用3D 打印技術的快速成型技術增加改善破損的零件，相比較于傳統的批量化生產，不會因為數量極低的部件而重新開啟一條生產線，從而極大地浪費了企業的成本。

3 結語

科技的進步帶動制造業的發展，為人類的生活帶來了便利，設計、科技、人文相互作用，相輔相成。3D 打印技術的發展影響了產品生命周期的各個環節，使得設計開發的過程中模型樣品得以快速成型，擺脫了復雜的、耗費時間的手板制作，在消費者需求、草圖方案到直觀的產品模型等各個環節進行過濾與驗證，以求設計出最接近消費需求的產品，釋放設計師的想象空間，加快了研發的進度和成效，加強了產品的創新。從企業自身出發，在產品生產的階段省去了模具開發制作，并且可以在短期時間內補充維修和售后環節中個別零部件替換的問題，省去了企業生產的成本，提高了效益。