3D打印技术在产品设计中的应用概况

付航?李鹏

摘 要：3D打印技术正处于不断发展的阶段，主要的工艺和材料不断更新，3D打印技术在满足个性化产品需求和实现复杂结构产品制造方面的作用和优势，以在玩具、家居制品等领域中最为突显。3D打印技术在产品设计领域的推广和应用前景广阔，其在产品设计领域的应用现状，为其在该领域的进一步应用拓展启发思路。

关键词：3D打印；材料；产品设计

一、前言

3D打印技术具有传统制造工艺所不具备的优势，例如产品多样化的同时不增加成本、无需组装、零时间交付、零技能制造等，且已经在航空航天、汽车制造以及工业装备制造等领域得到应用。在产品设计领域，因为今后个性化和定制化的产品会逐渐成为市场主流，而3D打印技术可以按照消费者的个体想法生产物品和创意作品，使产品的个性化设计与生产成为可能。本文着意介绍了3D打印技术与材料的基本知识，并概述其在产品设计领域的应用现状，为其在该领域的进一步应用拓展启发思路。

二、3D打印技术概述

（一）工艺

目前，3D打印技术所使用的较成熟的工艺主要有熔融沉积成型（FDM）、激光近净形成型（LENS）、热熔胶粘接薄材（LOM）、光固化成型（SLA）、粉末激光烧结成型（SLS）和喷涂粘接成型（3DP）。

1.FDM：是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的。FDM打印机沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道移动。沉积第一层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓，然后打印头来回扫描以填充轮廓。第一层打印完成后，打印头会略微抬起，然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程，打印出设计文件所描绘物体的每个横截面。

2.LENS：将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边，遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此，当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓，打印头吹出更多的粉末时，部件就会一层一层地逐渐增长。

3.LOM：将材料薄片层压成一个单独的三维实体。在设计文件的指引下，刀具或激光束将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出，切完一张薄片后，铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起，当制作对象的所有横截面都切好后，将这些切片层按压融合为一个三维实体。

4.SLA：通过激光扫描光敏聚合物来形成三维实体。它的工作原理是激光扫描光敏聚合物以后，打印机台面下沉，将已经打印的部分沉入液体中，新的光敏聚合物覆盖其顶部，如此往复，有些SLA打印机以相反的方式工作。

5.SLS：由德克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。它不使用液态光敏聚合物，而是使用粉末，采用二氧化碳激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件的方法成型，打印过程完成后物体被最终埋在粉末下。

6.3DP：3DP是在20世纪80年代由麻省理工学院的学生保罗·威廉姆斯和他的导师伊莱·萨克斯教授发明的。它是通过打印头将黏合剂或某种胶挤到原材料粉末中打印实体的。由于3DP打印机通过在原材料内挤入胶水生成层，所以并不需要激光，而且有很多原材料可以使用。3DP打印机不需要高功率的组件，因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光，从而很难制造出很薄的层，制造出的物体往往表面粗糙，但可以彩色打印。

（二）材料

根据不同的3D打印的制造工艺，对应着不同的3D打印材料（表1）。

此外还有应用于打印消费类电子产品、医疗设备以及汽车轮胎、垫片、内饰等的橡胶材料、陶瓷材料，以及应用于珠宝和艺术品的玻璃材料。

三、3D打印在产品设计中的应用

（一）玩具

3D打印技术的流行和普及将定制化的理念融入到玩具的设计和制造中，人人都可以成为生产者，资源和能源的浪费也将大幅减少。一家名为Dream Factory的公司2015年发布了一个专门为4-10岁之间儿童设计的3D打印城市玩具“Buddyracers”（图1）。完整的“Buddyracers”系列是由Dream Factory的3D构建师Fabian Magri和John Revilla设计的，整套城市玩具包括建筑物、树木、街道设施、人物、车辆等70件3D打印模型。Dream Factory公司表示，除了这70件3D打印模型以外，孩子们还可以通过定制和创建新的3D模型来扩展自己的玩具数量。Dream Factory的首席3D构建师Yanizo称：3D打印每辆车需要1个半小时，每个角色需要20分钟，这些模型在设计初期都经过精雕细琢，以减少打印时间，并且不需要支撑结构。

（二）家居制品

3D打印技术能够打破传统的造型理论，可以制作许多传统制造工艺很难制作或无法制作的家具。在巴黎制汇节上，Drawn公司用他们自己设计的加拉太亚3D打印机制造了巴比伦椅（The Babylon Chair）（图2）。

从外观来看，其表层质量非常均匀，而且每层都十分流畅和一致。逐层堆积形成的一圈圈纹路使家具的造型更加独特和美观，给我们带来视觉上强烈的冲击力。

意大利3D打印机制造公司Sharebot与意大利家具公司Nespoli结成合作伙伴，共同开发3D打印家具——细木工板护壁板（Boiserie）的解决方案。Nespoli和合作伙伴对装饰元素进行三维扫描，制作成可以任意缩放尺寸的三维模型，然后使用Sharebot XXL 3D打印机完成细木工板护壁板的制造。三维打印机使用FFF（熔融纤维制造）技术，可以打印出700mm×250mm×200mm的高精度实物（图3）。这个项目，使数字化制造和现代化产品完美结合，让3D打印制作细木工板护壁板这样的装饰性元素成为可能，让那些已有百年历史的传统技术更完善。

（三）文化娱乐

1.艺术品摆件

3D打印技术的成熟使得一些原本难以用手工完成的工作变得容易实现，同时也激发了艺术家的创作灵感，比如一个3D打印的个性化花瓶（图4）。它是用石膏粉掺入粘结剂，注入到打印喷头中，逐层打印出来的，产品成型后使用密封胶以确保耐用性和更多生动的颜色，3D打印使这种具有奇特造型的设计变成现实。

2.乐器

美国密歇根大学的工程系学生Daniel Olson使用一台桌面级3D打印机（（MendelMax 2.0 3D打印机）完整地打印出了一把三阀小号（图5），它是由17个独立的零部件（使用的是ABS材料）组成的，最后组装到一起，形成了外观和感觉与普通的小号一样的作品。它虽然能够演奏曲子，但音质不好。

3.个性消费品

由于3D打印能够制造各种形状相对复杂的配件，所以3D模型设计师精心设计的各种样式的3D模型得以展现，其外形美观、经久耐用。Polychemy公司利用3D打印技术打印出了极具个性的手机壳（图6）。它用坚固有弹性的聚酰胺塑料，利用3D打印机打印出模板，之后经过雕刻而制成。Polychemy公司还推出了指纹、漩涡、迷宫等图案的手机壳，另外还可以把自己的名字融入到设计中。这些3D打印的手机壳给人留下深刻的印象，不仅实用，且外形美观，充满时尚气息。

4.定制鞋

传统制鞋工艺中，设计，做模型，再做鞋子，重复上千次才能制作出与设计师构思完全相符的鞋子。2013年，Earl Stewart在惠灵顿维多利亚大学Ross Stevens的指导下，设计了“XYZ shoe”。“XYZ shoe”有151XYZ和098XYZ两种款式，展示的是151XYZ（图7）。Earl Stewart利用精确的3D扫描技术制作个性化的3D打印鞋，每只鞋都用3D扫描仪扫描使用者的脚，以获得准确无误的尺寸，然后将这些数据传送到多种材料的3D打印设备中，将扫描数据转化成精密的物体，最终设计制造出灵活舒适的个性化鞋子。这不仅满足了设计师的要求，也满足了使用者的需求，充分体现了3D打印定制化、个性化、小批量生产精细产品的优势。

四、3D打印在产品设计中所面临的问题

3D打印有五大子产业，即设备商、材料商、设计软件供应商、设计师、云设备商。在产品设计领域，3D打印技术激发了设计师的创作灵感，但在设计软件的完善、更加精确的模型输出格式等方面依然存在着亟待解决的问题。目前诸多的实例证明，3D打印技术可以与设计完美地结合在一起，但是如何让其成为产品，形成可行的产业链成为至关重要的问题。例如：3D打印家具受材料和工艺的限制，不具有传统制造工艺的优势，另一方面，3D打印材料的环保性等各项指标还有待专家部门的权威检测和认证。现在虽然可以用3D打印机打印较大的家具实物，不过其价格非常高。但在家具的连接结构和复杂结构家具的生产方面，3D打印技术可以与传统制造工艺相结合，形成互补，从而制作出更加舒适和美观的家具。

3D打印技术正处在不断发展的阶段，其本身又存在先天性不足：3D打印技术的相对单一制约了材料的更新，而新材料的不断研发又会带动技术的更新，二者是相辅相成的，而3D打印技术的打印时间过长、打印尺寸有限制及大批量生产无成本优势等方面使3D打印仍不能代替传统制造工艺。在产品设计领域，我们需要更精确，更快的打印技术以及更丰富的打印材料。

五、结语

通过上面的例子我们可以看出，3D打印技术在产品设计领域已经得到应用。在产品设计领域，3D打印技术可以满足个性化产品需求和实现复杂结构产品制造，这激发了设计师的创作灵感，将设计师与普通人紧密地连接在一起，为产品设计带来新的生命力，其发展前景十分广阔。同时，3D打印技术也存在一些设计、技术和推广上的问题，今后，随着这项技术的成熟与发展，必将在产品设计领域得到更加广泛的应用。

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作者简介：

付航，东北林业大学材料科学与工程学院研究生。研究方向：家具设计。

李鹏，博士，东北林业大学材料科学与工程学院，教授。