3D打印技術在設計中的應用與問題研究

◇暢婉君

3D 設計是新一代數字化、虛擬化和智能化設計平臺的基礎，是一種基于二維和二維設計的新興設計方法，可以使設計目標更加立體化、形象化。1986年，美國發明家Charles Hull 發明了立體光刻技術，開創了3D 打印技術的發展創新。如今，3D 打印機使用增材制造的方法制造三維物體，以實現計算機輔助設計的三維形狀。以3D 設計和3D 打印為代表的數字化制造提升了設計的自由度，擴展了設計的可能性，深受設計師和企業的喜愛。隨著科技的發展，3D打印機未來的使用會爆發式增長，對3D 技術人才的需求也將逐漸顯現。

一、3D打印技術

（一）增材制造技術

增材制造技術最初用于設計和原型制作部門，目的是形成用于加工的物理模型和主模型。增材制造技術是指基于離散—堆積原理，以零件三維數據為驅動，直接制造零件的科學技術體系。其技術是根據切片的數據（橫截面形狀）一層一層地分層創建物理模型。作為創建三維切片數據的一種手段，使用激光在液態光固化樹脂上繪制橫截面形狀，被激光照射的部分會固化（液態樹脂聚合成為固態樹脂），在表面形成一層薄薄的液態光固化樹脂，形成下一個橫截面形狀，重復此過程可以獲得模型對象。

3D 打印的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國。1892年，J.E.Blanther 在其專利中建議使用分層制造法構成地形圖，首創了增材制造原理。1980年，名古屋工業研究所的教授發明了光造型法，但并未用于實際。直至1988年，美國3D Systems 公司發布了世界第一臺應用SLA 光固化成型技術的立體光刻商用機器，標志著增材制造技術通過3D 打印機開始實際應用。同年，美國人Scott Crump 發明了一種新的3D 打印技術——熔融沉積成型，通過從噴嘴中釋放樹脂并使其硬化的方法來創建模型。該工藝適合于產品的概念建模和形狀與功能測試，并不適用于制造大型零件。

真正使3D 打印技術走向高潮的是2012年3月，為重振美國經濟和美國制造業，當時的美國總統奧巴馬提出建設全美制造業創新網絡計劃，并在總統任期內的國情咨文演講中強調了3D 打印技術的重要性，賦予其制造業復興的重任。隨著該計劃熱度顯著增長，3D 打印成為一個耳熟能詳的名詞，不僅為工業界的制造人員所熟知，也為普通大眾所熟知。

3D 打印機是根據3D CAD、3D CG 等3D 軟件制作的3D 數據，對斷面形狀進行層壓，制作3D 模型的設備的總稱。一般而言，普通打印機是將墨水噴射到紙張等平面上，以打印字符和圖形。3D 打印機則是使用各種技術構建三維物體，再通過分層技法實現打印。例如堆疊熔化的樹脂或通過用高功率激光照射粉末材料來燒結成型。

在增材制造方法中，由于三維物體的橫截面形狀是堆疊的，因此可以制造任何形狀的物體。但與此同時，數據處理是必要的，建模后需要處理以切斷支撐。接觸形狀的部分做得更薄，更易去除。除此之外，也有無須支撐體的方法，例如粉末層壓法、薄板層壓法和立體光刻法。加熱光固化樹脂并以溶膠狀態（液體）將其涂敷以形成薄層，用紫外線照射物體使其固化，并依次重復此過程。最后，加熱以沖洗掉未反應的光固化樹脂成型。而這種未反應的光固化樹脂可以重復使用。

（二）3D 打印機

3D 打印機沒有明確的定義。在增材制造設備方面，高價機型通常是功能強、價格高的高端機型，反之低端機型是低價機型。3D 打印機作為3D CAD 輸出機器，用以制造產品的概念模型。增材制造從一開始就是為了將3D CAD 設計的電腦顯示器上的三維形狀制造成實際模型。雖然可以將所有增材制造設備用作3D 打印機，但將數以百萬的設備稱為打印機太過奢侈。

除此之外，增材制造需要專人操作，雖然技術一直在改進，但對于產品的尺寸精度和外形品質的高需求，使得3D CAD 的設計人員提出了更高的需求，尋求一種可以更容易檢查形狀、低成本的設備。3D 打印機響應了這種需求，使設計人員可以提前確認形狀，用以防止錯誤、提高工作質量。

二、3D CAD設計軟件

（一）3D CAD

現在的3D 打印機主要是3D CAD 設計軟件的輸出機。在各個制造行業，3D CAD 軟件已成為設計產品、工具和制造設備的公認媒介。在工業流程中，3D系統越來越多用于設計工廠和生產系統。

隨著3D CAD 的出現，設計方法發生了顯著的變化。在3D 出現之前，形狀以二維形式表示，多為三視圖（主視圖、俯視圖、左視圖）。雖然直至今日，這種方法仍然被廣泛使用，但是這種方法不能說是在三個維度上表示事物，只是對于作品或產品而言平面的3D 記錄。但使用3D CAD 制圖可以旋轉和更改視點，使作品或產品更加直觀和立體。

3D CAD 設計軟件中，三維數字模型分為三種類型，即僅表示邊緣的線框模型、通過定義面表示形狀的曲面模型和描述實體的實體模型。其中，可通過增材制造生成的數值模型是曲面模型和實體模型。

3D CAD 可在計算機中創建虛擬3D 空間，根據輸入數據形成3D 信息，并將其顯示在監視器屏幕上。除了表達形狀外，還可以在屏幕上輸入、計算和反映體重和表面積等物理信息。

（二）3D CAD 帶來的變化

設計的趨勢隨著時代的發展而變化。影響設計變化的原因有兩個方面：一是當下社會的趨勢，二是原材料及其加工方法。隨著時間的推移，材料和加工方法不斷發展，塑料加工方法被開發出來，所需的機器被制造出來，并且開始生產塑料產品。

未來的設計創新需要考慮軟件、硬件和材料。3D CAD 最早用于飛機設計，極大地影響了人類的生活。現在，3D CAD 用于產品生產設計與模擬，以實現節省成本的目標。3D CAD 受到關注的另一個原因是增加了產品形狀的復雜性。如果形狀復雜，二維圖形無法表示，但在計算機上可以完整表示。

從物體以3D 形式表示形狀之后，設計者們開始使用該設計數據進行設計。像實物一樣，使用計算機數據創建，并且在實際制作之前評估外觀，這稱為可視化。例如，在實際制造汽車之前，可以在計算機上設計它并更改顏色和照明。目前，多數公司都在使用這種方法，以節約設計時間和成本。

此外，人們現在已經設計出通過預先輸入產品形狀的定義（約束條件、期望的性能等），然后由計算機自動生成形狀的系統。設計人員通過輸入算法，可以獲得計算機生成的3D 形狀。這項技術現在多運用于建筑設計。

這樣的變化對制造產品有何幫助？例如，設計一把椅子，如果將增加重量和強度作為這把椅子的限制，設計就會變得復雜。將約束和目標性能輸入計算機后，就會出現滿足強度的輕型設計，即可提出多個限制條件的設計。人們也可從中選擇自己喜歡的設計。

（三）數字化發展

3D 打印技術與傳統技術相比，優勢凸顯。數字化的成型技術可省去多種傳統制造步驟。為了提高效率，拓寬設計空間，多數企業從傳統的二維設計快速轉向三維設計，特別是在汽車領域，使用曲面模型和實體模型的設計已經成為主流。對于設計成品的展示和研討，則是以3D 數據的形式交換設計信息。在3D CG 中，曲面模型和實體模型已被廣泛使用，最常見的使用3D CG 的行業是游戲、動漫、電影、特效、建筑設計、室內設計等。通過3D 設計軟件建模，再進行素材設定等，可賦予游戲角色和畫面更強的真實性和豐富性。除此之外，3D 攝影也以一種用CCD 相機拍照并將其轉換為曲面模型的方法投入實際使用。

在國家重點機型研制中，中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院將全新3D 打印技術與3D 數字化技術相結合。飛機零部件從設計到打印成型，實現了操作流程化，大大縮短了開發生產周期，減少了焊接和裝配工序，特別是克服了鈦金屬焊接腐蝕問題，不僅加工精度達到要求，而且材料的強度、韌性和抗疲勞性都較好。這在符合設計要求的同時，減少鈦合金材料的使用，實現了能源節約。

三、3D技術人才的不足

隨著3D 打印產業的發展和3D CAD 設計軟件的廣泛使用，3D 技術人才需求量也在逐年遞增。3D 打印產業發展至今，已逐漸成長為能夠滿足工業生產要求、實現制造業轉型的重點產業。3D 打印技術衍生的設計、材料、軟件、數字制造等新型產業鏈正在逐步優化傳統制造，構建新的制造生態系統。然而，在行業快速成長的同時，我國3D 技術人才建設的短板已成為行業突破更高水平的重要障礙。解決人才培養問題已成為行業發展的重中之重。

據相關機構統計，我國目前短缺的技術人才超過1000 萬。其中，制造業對3D 人才的需求量最大，缺口約800 萬人。與傳統工業時代的工匠不同，數字時代的工匠既不是普通的技術人員，也不是科研人員。他們將3D 技術和數字思維應用到設計、制造、服務的各個環節，從而推動傳統產業與互聯網的融合、創新、轉型升級。但目前很少有3D 技術人才能夠將設計思想與技術結合起來，然后應用到實際生產中，這必然會影響未來3D 產業的發展和壯大。

四、3D打印技術發展對策

（一）建立學科教學

學習平臺的建立是學科發展的基礎，應加大力度開展3D 設計課程教育，特別是在高職院校開展3D CAD 的課程教學。制定專業的人才培養方案，引進3D 設計專職教師，購置3D 打印設備，整合學習資源，建立實訓室和實訓基地，將基礎理論知識運用到實踐教學中，培養同時具備3D 創新設計思維和3D打印技術的高技能應用型人才。根據當地企業的需求建立新專業，如動畫設計專業、文創設計專業等。充分利用校企合作，使學生通過企業實習提前適應崗位和社會，能夠發現問題、解決問題，具備更高的綜合素質和更強的創新能力。

（二）增加專業賽項

在現有的工業與工程設計、數字建筑BIM 設計、企業命題等大賽的基礎上，增加3D 創新大賽等。可融入當今社會流行的新媒體運營，開辦微電影網絡創意大賽，加速3D 產業鏈整合，推進制造業產業轉型升級。通過增加3D 設計類型的比賽，為學校和企業之間搭建交流平臺，以賽促產，以產帶賽，達到產教融合的目的，最終促進3D 技術人才的培養。依托大賽平臺，推動3D 打印技術的推廣，引領創新型人才的培養，促進創新實習實踐的落實。

（三）實施緊缺型人才扶持

相關部門應出臺相關政策扶持人才培養，從政策創新突破和服務保障提升等方面實施一系列人才特殊支持舉措。營造更加開放的人才引進環境，例如減稅和就業落戶等。積極推進專業型人才的就業專項行動，推動公益性人力資源免費服務項目落實，對專業技術人員職業技能提升提供補貼。

五、結語

隨著3D 打印機的普及，低價產品廣泛上市，多數企業都具備購買3D 打印機的能力，并將其應用于普通工作。3D 打印機的使用，終將像計算機使用文字處理來創建文檔一樣變得司空見慣，成為個人設備。著眼于3D 打印本身固然重要，但更重要的是3D技術人才的培養。針對專業型人才實際發展需求，加強校企合作，推動高職院校人才培養計劃落實，出臺相關政策予以扶持，才能促進3D 產業未來更好發展。