增材制造技術在工業設計中的應用研究

摘要：主要探討了增材制造技術在工業設計領域的應用及其潛在價值。通過對增材制造技術的原理、特點及在工業設計和制造中的應用進行實例分析，闡明了這項技術對工業設計效率、產品性能、制造工藝及設計創新能力的提升作用。研究結果表明，增材制造技術為工業設計領域提供了更多可能性，有助于實現設計的個性化和復雜化，推動工業設計的整體進步。

關鍵詞：增材制造技術工業設計創新應用設計優化

中圖分類號：G71

ResearchontheApplicationofAdditiveManufacturingTechnologyinIndustrialDesign

WANGBing

ShandongUniversityofArtandDesign，Jinan，ShandongProvjWl4LLqHA9lFyedgvcWg8iH4QXtSAXE04bSFNM31LtY=ince，250399China

Abstract：Thisarticlemainlydiscussstheapplicationandpotentialvalueofadditivemanufacturing（AM）technologyinindustrialdesign.Throughananalysisoftheprinciples，characteristicsandapplicationinindustrialdesignandmanufacturing，thearticleelucidatestheroleofAMtechnologyinenhancingindustrialdesignefficiency，productperformance，manufacturingprocessanddesigninnovationcapabilities.TheresultindicatesthatAMtechnologyprovidesmorepossibilitiesforindustrialdesign，promotingpersonalizedandcomplexdesignsandtheoverallprogressofindustrialdesign.

KeyWords：AMtechnology;Industrialdesign;Innovativeapplications;Designoptimization

增材制造技術是一種通過材料堆積進行成形的制造技術，它從三維數字模型數據出發，通過逐層堆積材料的方法制造三維實體。增材制造技術與傳統的減材制造技術不同，增材制造技術無須去除多余材料，可直接從數字模型轉換到三維實體。隨著科技的飛速發展，增材制造技術作為一種新興的制造技術，已從早期的原型制造逐步演變到現已能夠直接進行批量生產[1]。增材制造技術以其獨特的優勢在工業設計領域引起了廣泛關注。如何將該技術創新性地使用到工業設計中，是工業設計從業者所需把握的重要方向。

1增材制造技術的原理及特點

增材制造技術的核心理念在于“分層制造，逐層疊加”。在實際成形過程中，首先通過三維設計軟件創建出所需產品的數字模型；隨后利用特定的軟件將該數字模型進行切片，形成一系列薄層，每層文件都包含了該層的形狀等信息；然后增材制造設備（如3D打印機）根據這些文件信息逐層堆積材料，直至成形完成。增材制造技術實現了從點到線、從線到面、再從面到體的逐步構建過程。

增材制造技術主要包括粉末床熔融、材料擠出、光固化、定向能量沉積、黏合劑噴射和片材層壓等。粉末床熔融使用激光或電子束將粉末材料逐層熔化并凝固；材料擠出則是將加熱到熔化狀態的材料通過噴嘴擠出并堆積；光固化利用紫外線激光逐層固化液態樹脂；定向能量沉積將材料送入熔池并使用能源熔化堆積；黏合劑噴射則是通過噴射粘合劑將粉末材料逐層黏結；片材層壓則是將片材逐層切割并黏合形成物體。這些工藝各有優缺點，適用于不同的應用場景和材料需求。總體而言，增材制造技術具有以下特點[2]。

（1）設計自由度高：由于采用逐層堆積的方式，增材制造技術能夠輕松構建出復雜形狀和內部結構的零件，突破了傳統制造技術對于實體形狀的限制。

（2）材料利用率高：增材制造過程中幾乎不會產生廢料，材料利用率遠高于傳統減材制造技術。

（3）制造周期短：增材制造技術無須復雜的模具和工裝夾具，大大縮短了產品從設計到制造的周期，為設計從業者提供了全新的創意實現手段。

（4）個性化定制、小批量生產：增材制造設備通常較為緊湊，可輕松實現分布式制造和按需生產，能夠滿足個性化和定制化的市場需求，為小批量生產提供了便捷、高效的解決方案。

總之，增材制造技術作為現代工業領域的一項革命性技術，正在逐步改變傳統的工業設計理念和工業生產方式。其高設計自由度和材料利用率、靈活、快速的特點使該技術在工業設計中具有獨特的優勢和應用潛力。增材制造技術也讓工業設計師能夠以前所未有的自由度進行創作，從而實現更加復雜、精細和個性化的設計，為現代制造業的發展注入了新的活力。

2增材制造技術在工業設計階段的應用

在設計階段，增材制造技術主要被用于快速原型制作和設計驗證。傳統的設計驗證過程通常需要耗費大量的時間和成本來制作原型，而增材制造技術則能夠在數小時或數天內以較低的成本制作出精確的原型。工業設計師可以利用增材制造技術快速打印出產品原型，進行裝配測試、功能驗證和用戶體驗評估，從而在設計階段就及時發現問題并進行修改。這種快速原型制造的能力極大地縮短了產品開發周期，提高了設計效率。

隨著消費者對產品個性化和定制化的需求日益增加，增材制造技術在工業設計中的應用也愈發廣泛。傳統制造方法往往難以實現小批量、個性化的生產，而增材制造技術則能夠根據消費者的具體需求，通過調整數字模型修改設計，從而快速、準確地制造出定制化的產品。例如：在珠寶、鞋履、醫療器械等領域，設計師可以利用增材制造技術為消費者打造出獨一無二的定制化產品。這種定制化的生產方式不僅滿足了消費者的個性化需求，還為企業創造了新的市場機會和競爭優勢。

3增材制造技術在制造階段的應用

在傳統工業設計中，設計與制造通常是兩個相對獨立的環節，設計文件往往需要經過轉換才能在制造流程使用。然而，增材制造技術能夠將設計數據直接轉化為實體產品，省去了中間的轉換環節，這不僅提高了設計效率，還降低了生產成本和風險。

另外，傳統制造技術在加工具有復雜內部結構的零件時往往面臨諸多困難，如模具制作、加工精度等，所以某些具有復雜內部結構的零件通常難以通過傳統技術制造。增材制造技術具有通過逐層堆積材料的方式制造復雜結構和內部結構的獨特能力，無須額外的模具和加工步驟。因此，在產品制造階段，增材制造技術通常被用于直接制造最終產品或制造復雜結構零件。例如：在航空航天器的發動機制造中，增材制造技術可以實現復雜內部冷卻通道的制造，提高發動機的燃燒效率，降低燃油消耗。而采用拓撲優化設計的增材制造結構件，可以在保證性能的前提下，大幅度降低結構件的重量。夢天實驗艙的項目實現了增材制造技術從設計到制造的全流程應用[3]。隨著技術的不斷進步和成本的降低，從零件制造到整體結構打印，從地面試驗到太空在軌制造，增材制造技術的邊界將不斷被拓展，為人類的太空探索事業帶來更多的可能性。

增材制造技術支持多種材料的成形，包括金屬、塑料、陶瓷等，還可實現多種材料的復合成形。這意味著設計師可以在同一產品中集成多種材料和功能，創造出具有獨特性能和用途的產品。例如：在醫療器械設計中，可以利用多材料打印技術制造出具有不同硬度、彈性模量和生物相容性的部件，以滿足醫療和患者的個性化需求。這種多材料打印與功能集成的能力，為工業設計帶來了更多的創新空間和可能性。姚翔翔等人[6]深入研究了增材制造技術、材料科技與傳統醫療護具設計的融合，創新設計并制作了一款兼具磁療功能與高度定制化的增材制造腰部健康護具。該設計在個性化與適應性、藝術美感與實用功能、成本控制與制造效率之間找到了平衡，為可定制化醫療健康類產品的設計研發提供了新的啟示和方向。

此外，增材制造技術還具有材料利用率高的優點。傳統的制造方法往往會產生大量的廢料，而增材制造技術則能夠精確控制材料的使用量，減少浪費。這不僅有利于降低制造成本，還有助于實現綠色、環保的制造。高暉等人[5]提出了基于增材制造的復合材料尾門設計方法。通過增材制造技術實現復雜輕量化結構設計的尾門，不僅可以滿足剛度、強度等力學性能要求，還可以使其比原有結構輕42%并有效降低了成本。該方法還可以為汽車其他零部件的輕量化設計提供借鑒。

4增材制造技術在產品創新與優化中的應用

增材制造技術的靈活性和可定制性為產品創新和優化設計提供了有力支持，也為設計師提供了更大的創作自由度。傳統的制造技術往往受到加工工藝和成本的限制，難以實現一些復雜、個性化的設計。而增材制造技術則可以直接將三維數字模型制作成實體零部件或產品，無須復雜的加工工藝和模具，從而更加貼近設計師的想法。同時，增材制造技術還能夠實現產品的輕量化設計，通過優化內部結構、減少材料用量等方式降低產品重量，提高產品性能和環保性，還能夠實現多材料、多功能的集成制造，為產品創新提供了更多可能性。所以，設計師可以利用增材制造技術制作出具有創新結構和功能的產品原型，進行功能測試和驗證。

增材制造技術還可以實現“數字化制造”。設計師可以通過三維數字建模軟件設計出產品的數字模型，然后通過增材制造技術將其轉化為實體產品。這種數字化的制造方式不僅可以提高制造精度，還可以大大縮短產品從設計到制造的時間周期。

此外，增材制造技術在造型表現方面的應用還體現在產品的細節處理上。由于增材制造技術可以逐層堆積材料，因此可以在制造過程中精確控制每一層的厚度、形狀和表面粗糙度等參數，從而實現更加精細的產品造型。對于一些需要組裝的產品，增材制造技術也可以制造出更加精確、穩定的零部件，提高產品的整體質量和性能。周秀梅[4]等人將增材制造技術引入焊接定位模板開發中，該方法開發周期短、精度高、強度好、操作簡單，極大提升了人工操作便捷性。增材制造技術的應用將有助于在樣車試制領域得到更廣泛快速的應用與推廣，進一步提升焊點位置的合理性，保證試驗車輛的合格焊接質量，以便更好地驗證車輛的行駛安全等性能。

由于能夠精確制造復雜形狀的電池結構，增材制造技術已成為固態電池設計制造領域的新技術方向。何天賢等人[5]深入探討了增材制造技術在固態電池設計和生產中的關鍵應用，包括墨水直寫、熔融沉積以及選擇性激光燒結等多種技術。隨著打印技術和材料的不斷進步，預計未來將出現具有長期耐用性、良好安全性和高能量及功率密度的增材制造固態電池，為未來的能源儲存和利用帶來革命性的變革。

總之，增材制造技術在工業設計造型表現方面的應用為設計師提供了更大的創作自由度和更高的制造精度，有助于實現更加復雜、個性化的產品設計，并推動工業設計的不斷創新和發展。

5增材制造技術促進協同設計與全球制造網絡

利用互聯網和云技術，設計師可以在全球范圍內進行協同設計，共享設計資源和經驗。而增材制造技術的分布式制造特點使產品可以在全球范圍內的制造中心進行打印和組裝，實現全球制造網絡的構建和優化。這種協同設計和全球制造網絡的發展，不僅提高了工業設計的效率和質量，還為企業提供了更加靈活和多樣化的生產方式和市場機會。

綜上所述，增材制造技術在工業設計中的應用已經滲透到各個方面，從設計與制造的緊密結合到多材料打印與功能集成，再到生物醫療領域的應用、綠色制造與可持續發展以及協同設計與全球制造網絡的發展等。這些應用不僅改變了傳統工業設計的方式和流程，還為產品創新、市場競爭和可持續發展帶來了新的機遇和挑戰。

6結語

本文通過對多個典型案例的分析，系統探討了增材制造技術在工業設計領域中的創新應用。研究發現，增材制造技術不僅能夠更新設計理念、優化產品結構，還能提升產品性能、簡化制造流程，為工業設計領域帶來了革命性的變革。未來，隨著技術的不斷進步和市場的日益拓展，增材制造技術在工業設計中的應用將更加廣泛和深入。

參考文獻

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[4]周秀梅，高志剛，張灝辰.3D打印技術在樣車試制車身焊接模板中的應用[J].時代汽車，2019（20）：84-85.

[5]何天賢，劉文杰，雷源春.3D打印在固態電池中的應用[J].能源工程，2023，43（6）：37-43.