計算機輔助工業設計與3D打印技術初探

董 霞

（西山煤電高級技工學校，山西 太原 030053）

引言

工業設計歷史悠久，最初的工業設計側重于量產工業產品構造、色彩、形態、材料、裝飾及表面加工的設計。伴隨工業設計理念的逐步成熟完善，現階段工業設計則側重于產品全生命周期的系統化設計，工業設計已經由單一產品的設計轉變為創造性活動。目前，計算機輔助設計在工業產品的設計、生產及制造等環節均得到廣泛應用，設計人員利用3D打印技術打印設計的工業產品，可省略制造模型及審核等環節，顯著縮短設計周期，并可直觀地測試評估設計效果，及時糾正設計缺陷，使產品能夠更迅速地投入市場中。本文總結研究計算機輔助工業設計與3D打印相關技術，希望為設計人員提供參考。

1 計算機輔助工業設計概述

1.1 計算機輔助工業設計的基本概念

CAD（Computer Aided Design）即計算機輔助設計，CAID（Computer Aided Industri-al Design）即計算機輔助工業設計。計算機輔助設計是計算機輔助工業設計的基礎，計算機輔助工業設計的主要研究對象為工業設計領域的各種產品。與常規工業設計模式相比，計算機輔助工業設計屬于多種信息技術的集成，是多學科相互交叉的高科技產物，可顯著提高設計效率、優化設計方法、改善設計質量[1]。

1.2 計算機輔助工業設計的優勢

通常情況下，工業產品的設計流程較為復雜，主要包括前期市場調研、產品草圖與效果圖設計、制作模型、量產，在設計過程中可視化流程占比較高，這也為計算機輔助工業設計應用營造了有利條件。比如在工業設計中可采用Coreldraw、Photoshop等軟件繪制工業產品設計的二維效果圖，也可采用3DMax、Maya軟件制作并渲染產品的三維模型，配合采用CATIA等軟件計算產品模型的各項數據，且相關數據可直接應用于在工業產品制造及生產過程中。與常規設計模式相比，采用計算機輔助工業設計能夠縮短設計周期，直觀且高效地呈現出設計方案，通過相關軟件具備的集中化及智能化功能，可顯著降低設計難度，設計人員可集中精力優化設計方案，進而促進工業產品質量提升。

1.3 計算機輔助工業設計的發展趨勢

目前，計算機輔助工業設計應用范圍持續擴大，部分設計人員已能夠熟練應用相關技術。未來，計算機輔助工業設計需不斷擴展其在工業產品設計的應用階段，比如在工業產品早期調研階段，可通過計算機技術及大數據技術進行工業產品設計的信息采集與定位分析，在工業產品設計過程中可采用人體工程學等技術獲取產品模型，并對比人體數據庫資料，分析設計方案存在的缺陷，通過優化調整獲取更為適宜的設計方案，以促進產品質量的持續提升。現階段，我國計算機輔助工業設計技術尚未形成完整體系，在實際應用過程中仍存在諸多問題，為此相關人員需加強研究與綜合分析評估，可將計算機輔助工業設計與人工智能等先進技術融合，利用人工智能數據庫輔助完成產品的設計、研發及生產，為設計人員提供豐富的信息資源，進而促進設計質量提升[2]。

2 3D打印技術在工業設計中的應用

2.1 3D打印技術概述

3D打印技術歸屬于快速成型技術范疇，該技術以特定的數字模型文件為打印的依據，采用塑料或金屬粉末等粘合性能良好的材料逐層完成構造物的打印。3D打印技術在工業設計、模具制造等領域應用廣泛，也可直接應用于產品制造。3D打印技術的主要環節包括三維設計、切片處理及打印，技術人員需優先通過計算機建模軟件完成三維設計，并將三維模型劃分為多層截面。3D打印機可讀取三維設計文件中的橫截面信息，采用特定的材料逐層打印，并將不同截面粘結形成實體結構。

2.2 3D打印技術在工業設計中的應用

3D打印技術誕生于20世紀90年代，該技術以數字模型文件為基礎，采用塑料或金屬粉末等粘結性良好的材料，通過逐層打印與粘結的方式打印出特定的構造物。目前，3D打印技術在工業設計及模具制造等領域中應用效果良好，在工業設計、建筑設計、汽車、航空航天、鞋類設計、珠寶設計、牙科、地理信息系統、土木工程等領域應用范圍持續擴大。常規工業設計模式下，設計人員需在設計的最終階段制作手鈑模型，以評估分析設計方案的科學合理性及可行性，而制作手鈑模型耗時較長，且費用昂貴，部分模型精度偏低，實際應用效果不佳。采用3D打印技術，設計人員可構建數字模型文件，利用特定打印材料與3D打印機，短時間內便可獲取制作出精度較高的模型，進而降低工業產品研發及生產成本，也可縮短產品開發周期。伴隨科技水平的持續進步，3D打印技術逐步成熟完善，3D打印機價格顯著降低，將3D打印技術應用于工業設計中可從根本上轉變設計模式，提高設計質量，進而促進工業領域的持續發展進步。

3 計算機輔助工業設計與3D打印技術的融合

現階段，關于3D打印技術與計算機輔助工業設計間關系尚無確定結論。通過對二者技術特點的分析研究可以得知，3D打印技術與計算機輔助工業設計相輔相成，3D打印技術可將計算機輔助工業設計的虛擬工業產品轉變為實體產品，而計算機輔助工業設計可為3D打印提供數據。將3D打印技術與計算機輔助工業設計結合，可實現二者的優勢互補，進而改進工業產品的設計方案，使設計流程更為合理化，并可降低研發成本，提高設計效率，縮短工業產品研發周期，使其能夠在最短時間內入投入使用。

部分機構將3D打印技術與計算機輔助工業設計相結合完成產品研發，并取得良好效果。比如某工業設計人員采用3D打印技術與計算機輔助工業設計完成吉祥物的設計與3D打印。在設計中優先采用計算機輔助工業設計軟件制作吉祥物的二維效果圖，并采用McNeel公司研發的T-spline（多邊形建模插件）與Rhinoceros軟件制作吉祥物的三維模型，并通過T-spline軟件具備的多邊形自由建模功能，構建吉祥物的身體設計模型，輸入NURBS曲面命令，將其轉變為可自由編輯的曲面模式[3]。完成上述操作后，設計人員需曲面進行必要的修飾調整，不斷完善細節部分，進而構建完整的數據模型，并通過STL格式將模型相關數據導入3D打印機內。技術人員依據數據模型內容，在3D打印機中設置打印尺寸并準確定位，完成相關設定后3D打印機執行打印指令，逐層完成打印。打印結束后，技術人員對模型進行適當修整與清理，進而獲取最終的吉祥物模型。通過3D打印技術與計算機輔助工業設計的有效結合，設計人員利用一周時間便完成設計與成品打印，且打印效果良好，與傳統的工業設計方案相比具有明顯優勢。

4 結語

3D打印技術與計算機輔助工業設計的有效結合可轉變工業設計模式，提高設計效率、降低產品研發費用，并可改善設計質量，有助于促進我國工業產品設計及生產水平的提升。現階段，3D打印技術與計算機輔助工業設計在實際應用過程中仍存在一定缺陷，為此相關技術人員需加強學習與研究，充分認識到3D打印技術、計算機輔助工業設計的優勢，并在設計中合理應用相關技術，以促進工業設計水平的持續提升。同時，相關院校需調整課程設置，將3D打印技術、計算機輔助工業設計作為教學的重點內容，加強專業人才培養，為其提供實踐機會，以滿足社會需求。