計算機輔助工業設計與3D打印技術的融合應用

舒慶偉

（河北省承德市雙灤區職業技術教育中心，河北 承德 067101）

引言

傳統的工業設計包括對產品的結構、形態、裝飾等方面的改變，而由于運用了計算機輔助設計，工業設計的產品又包含了人文和藝術特點。設計師將自己的設計理念和設計方法有機融合，再借助輔助工業設計與3D打印技術，有效提高工業產品的生產效率，從而推動產品在市場的流通。現階段3D打印技術已經廣泛應用于工業設計和醫療行業。

1 計算機輔助工業設計概念解析

1.1 概念分析

在傳統的工業設計中，設計人員根據自己的設計靈感，采取不同的方法，將靈感設計成具體的實物，然后再經過多次修改和完善，最終制作出滿足設計者想法的作品。也因此，一件作品的完成需要耗費設計者較長的時間。計算機輔助工業設計理念提出之后，在整個產品設計中，無論是設計方法、設計質量、設計過程，還是設計效率都能得到有效提升[1]。常見的計算機輔助工業設計方法有多媒體技術、CAD技術、人工智能技術、虛擬現實技術、模糊技術、敏捷制造以及人機工程等，在具體設計過程中，設計人員應當根據作品特點，合理選擇相應技術。

1.2 設計流程

工業產品的整個設計流程包含多個環節，首先要做市場調研以及設計需求定位，然后制定草圖和效果圖，最后根據產品的數據模型進行批量生產。例如產品效果圖設計通常會選擇Photoshop等軟件進行二維效果圖的設計，然后再通過3DMax等軟件完成三維設計，并進行效果圖的渲染。在數據模型制作階段，通常會選擇CATIA等工程類軟件進行完善。當效果圖滿足生產需求時，就可以大批量生產。

1.3 技術優點

在工業產品設計過程中，通過計算機輔助設計出的數據效果圖與傳統的手繪效果圖相比，無論是著色還是空間感覺，都會更加直觀和有效，設計結果也更能凸顯設計人員的設計理念。因此計算機技術已經在工業設計中實現了全覆蓋。隨著信息技術的不斷發展，計算機軟件、硬件也在不斷更新。現階段計算機輔助工業設計已經達到了智能化、集中化和現代化。設計人員只需要熟練操作各種計算機設備和系統，就能夠在短時間內創作出多種軟件模型，這樣，就能節約出更多的時間，用于研發和創作新的產品。

2 3D打印技術與工業設計概念解析

2.1 技術原理

3D打印技術是在CAD/CAM技術、激光技術、機械工程、計算機數控技術、分層制造技術以及精密伺服驅動等技術的基礎之上最先進的制造技術。利用計算機做出的三維數據模型，被稱為藍本，再借助不同的軟件將藍本分解成不同的平面切面，通過數據控制成型系統，利用熱熔噴嘴或者激光束，將相應的材料進行連接，最終形成產品。

2.2 應用流程

2.2.1 制作數據模型

在工業設計中，設計人員拿到設計圖紙之后，要反復確認產品的制作要求，指定制作的零件和模型，并確定所有零件的相應功能。3D打印技術比傳統的手工設計有更多優勢，例如較高的精準度，較高的強度，成本耗費較低等，確定好所有材料和系統之后，專業設計人員可以根據系統的指示，快速制作出相應的數據模型。

2.2.2 制作設計工具

在工業設計領域中，通常不同的設計師會選用不同的設計工具進行產品設計。在制作設計工具時就可以利用3D打印技術。設計人員會按照自己的實際需求，制作各類設計工具，減少了工具選擇、采購等的時間，更有效避免工具不符合要求的問題，讓設計師有更多的精力做出更多優秀的作品[2]。除此之外，使用3D打印技術制作出的設計工具比市面上采購的工具質量更輕巧，設計的精準度更高，可以完全滿足設計師的使用需求。

2.2.3 生產小批量產品

雖然3D打印機的使用優勢眾多，但是不能投入到大批量的產品生產中，這是由于大批量生產往往需要較多的打印材料。在小批量產品的生產中，3D打印技術可以靈活選擇各種打印方式，相對于傳統的手工制造來講，生產所需要的成本和時間也會有效降低。另外，小批量產品的生產中，借助3D打印技術可以完全忽略時間、空間、機床和模具等的因素影響，生產人員也可以按照用戶的需求，隨時調整生產計劃或更改生產要求。

3 計算機輔助工業設計與3D打印技術的結合

根據以上內容可得出，計算機輔助工業設計與3D打印技術之間有著相互促進，相輔相成的關系。在工業產品設計中，首先，計算機輔助工業設計可以為3D打印技術提供必要的數據模型，而3D打印技術又可以將該模型變為設計人員所需要的實物，將二者互相結合，有利于將設計人員的創意變為更優秀的工業產品提供可能。當該產品滿足設計要求之后，再投入到工廠中大批量生產，就可以快速占領市場，持續擁有該產品在市場上的份額。隨著3D打印技術應用越來越廣泛，現階段，應用3D打印技術探索解決醫學難題、改善居住環境，且已初見成效。

4 相關案例分析

根據相關文獻資料顯示，著名設計師郝建峰曾利用McNeel公司開發的R hinoceros軟件和多邊形建模插件T-spline設計制作了桃桃和花花兩個吉祥物的模型[3]。首先利用計算機輔助設計制作桃桃和花花的二維效果圖，如圖1所示。這兩個吉祥物分別是以桃子和桃花為原型進行設計。再借助T-spline的自由多邊形建模功能，設計出吉祥物的身體部位，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，修飾模型的一些細節部分，完成整個數據模型的創建，如圖2所示。然后再用STL格式將數據模型進行導出，與3D打印機相連接。在連接過程中，為了便于數據傳輸，可以選擇國內研發的專業3D打印機，借助相應的配套軟件實現打印功能。設計人員將打印尺寸等各個參數進行設定，操作鼠標之后，打印機就會執行命令，再通過逐層打印形式，逐漸將吉祥物打印成功。設計人員再通過簡單的清理和修整，就會得到最終的吉祥物模型，如圖3所示。在整個創作過程中，設計人員制作好各類模型，將設備進行連接之后就可以打印出產品，前后持續時間只有七天左右，并且成品質量較高。

5 結語

將計算機輔助工業設計和3D打印機技術互相融合，是工業設計領域發展的主要條件。隨著工業設計領域的不斷發展，計算機設備的不斷完善，相信在未來，二者互相結合能夠為工業設計提供新的發展方向，同時也能改善人們的生活，推動社會發展，推進整個人類文明的進步。