基于3D打印技术的用户定制产品设计路径研究

张洁

摘要：3D打印技术具有速度快、精度高、造价低的特点，可用来实现用户定制产品的设计的后期加工环节，从而满足用户的个性化需求。3D打印技术采用了配置设计与调整设计方法实现针对个性需求的产品设计与生产。因此，基于3D打印技术的用户定制产品设计，在产品功能与产品外观上实现了定制化创新。本文从不同环节的工作内容、环节之间的衔接以及具体实现方法等方面进行论述，给出了基于3D打印技术的用户定制产品设计路径。

关键词：3D打印技术；个性化需求；用户定制设计

随着系统化设计及制造技术的发展，批量模具化产品充满市场。批量产品的单调与同质化满足不了消费者日益增长的个性化需求。如今，多元、个性定制产品需求日渐兴起。企业为了在日益紧张的市场竞争中确保生存与发展，满足市场的多变需求，急需运用先进的生产技术，为消费者提供定制产品的设计与生产服务。

3D打印技术属于快速成形技术，过去常用于模具制造、工业设计等领域的模型制作阶段，现正逐渐用于一些产品的直接制造。它运用三维数字模型文件，将粉末金属或塑料原料等可粘合材料通过逐层堆叠累积的方式来构造物体三维模型，又称为“增材制造技术”。3D打印技术是单件小批量的生产技术，企业可以通过3D打印技术完成用户定制化产品设计后的加工制造环节，从而满足消費者的个性化需求。同时，3D打印技术可以在一定程度上减少生产成本，缩短产品交货时间，且不论用户定制产品的设计有多复杂，采用该制造技术都能够实现快速成型的工作效率，不会出现额外的成本。本文针对基于3D打印技术的用户定制产品设计路径展开相关的研究，从各个环节之间的衔接、工作内容以及具体设计实现方法多个方面进行论述，对这一领域的研究具有积极意义。

1 3D打印技术的发展

3D打印技术是数字化科技时代发展的重要产物之一，能够体现出现如今社会信息与产品共同分享的全新发展趋势，且在产品的设计与生产中被广泛的使用。这种制造技术在一定程度上体现了人们的消费需求由数字化社会的发展影响而出现的巨大的转变，同时也使得产品在外观与功能设计上获得了更为多元化的发展空间。

1.1技术发展历程

3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，原理等同于微积分原理，技术上利用光固化技术和层叠铺设材料实现快速制造出实体物体。打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，将三维数字模型转化二维切片，通过电脑控制打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

1986年，美国East Anglia大学的Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始研发3D打印机。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum 2510研制成功。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年7月，英国研究人员将这一技术与食品技术结合，开发出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年11月，苏格兰科学家将这一技术应用于生物医疗领域，首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年，3D打印技术应用于艺术品制作。接着在2013年11月，美国德克萨斯州的3D打印公司“固体概念”（Solid Concepts）设计制造出3D打印金属手枪，这一消息轰动全球，3D打印获得前所未有的关注。

尽管欧美地区具备一定的发展先机，但并没有大规模的推广与应用3D打印技术。而在国内，《中国3D打印的未来》作者、中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军认为，中国从20世纪90年代初开始涉足3D打印技术，并取得了巨大进展，但与国外同行相比仍存在一定差距。中国3D打印企业“小而散”、各自为政，需要发挥整合优势、抱团发展。2012年10月15日，他联合多家科研单位和企业成立了中国3D打印技术产业联盟，这是世界上首个3D打印技术的产业联盟，也是中国3D打印与世界3D打印同行交流的平台。2015年8月23日，中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持国务院专题讲座，从政策上要求加快发展先进制造与3D打印技术。在市场环境上，3D打印技术的推广与应用得到了企业、设计师、用户的一致认可，尤其广泛应用在小批量、个性化产品设计上。目前该技术仍存在打印材料、应用领域拓展、道德与伦理等大量亟待研究与探索的问题。

1.2在产品设计中的优势

传统产品设计制造的过程中，通常情况下是先绘制设计草图，之后按照设计草图来进行数字模型创建，接着手工制作出产品的实物模型，用模型来验证产品的结构关系，或制作产品原型来检验质量与性能。若一路绿灯，则设计模具，进行批量生产。这一过程不仅要求大量的资源支持，更消耗大量劳动力。3D打印技术简化了设计后的制作过程，通过快速成型来获得产品原型，或针对特定材质直接制造生产，缩短进程。不需要复杂的组装，更不需要设计制造模具，产品实现一体化成型，大幅减少制造成本。此外，3D打印出来的产品还能快速响应用户需求的变化，及时应对调整的设计方案。

3D打印技术应用于用户定制化产品设计时，设计人员只需注重产品成型精度的材料选择，产品形态上不受局限，这就给设计人员提供了非常自由的设计空间，可以在极大程度上满足用户需求。设计市场发展需求越来越多元化，由传统设计人员或者是领导者作为主导的“自上而下”的设计制造模式转变成用户可以直接参与到产品的设计过程中的“共同创造”，而这又反过来促成3D打印技术的飞速发展。

2用户定制产品设计的个性化需求

2.1个性化需求市场分析

用户消费需求的变化体现在对产品设计个性化的日益注重。个性化产品市场涉及多个领域，如电商市场、定制化设计服务市场以商社服务市场。依托互联网技术的普及，对数字模型进行快速响应、快速加工成为现实和发展趋势。

为用户提供“一对一”设计服务，反映出人们在消费上更偏向于精神性消费，同样也标志着消费者的现代化生活态度与方式。

2.2用户定制产品设计方法

2.2.1定制产品调整设计法

该设计方法的重点在于结合用户个性化需求，在产品的设计元素的具体参数上进行创新与调整。由于产品功能往往在用户提需求时就固定下来，因此该调整主要集中在产品造型上。对于定制产品，往往用户要求产品形式不同于以往相同功能产品，造型多变或易变，或造型用传统模具生产成本高、而需求量小，根据用户的实际要求从形态、色彩等元素上进行创新设计。

2.2.2定制产品配置设计法

配置设计法原是应用在大规模定制产品设计中的设计方法，通过建立产品配置模板与规则，对客户需求进行分解，从已有的产品模块与设计实例中获得满足需求的设计物料清单。而对个性化定制产品，尤其是单件小批量的产品设计中，用户需求往往不同于以往产品，或用户对形态等要素有多种需求，原先的大规模配置设计法不适用。这时，结合上述调整设计法由设计团队根据用户需求单件制定产品设计规范，明确用户定制产品的相关元素模块，在产品元素的各个模块上进行配置。由此可知，用户定制产品的配置设计规则是互相影响的，其主旨是为了满足用户的个性化需求。

实际上，用户定制产品设计体现在产品的功能与外观的创新上，但并不代表是纯粹的外观改变，从整体来说应当是在产品设计的不同环节与元素上进行设计与调整，具有顯著的综合性。而为了提升用户定制产品设计的工作效率，并减少制作成本，也应当在产品的各个组成元素上实现模块化。

2.3基于3D打印技术的用户定制产品设计路径

在用户定制产品设计路径中，用户作为产品设计需求的提出者，设计团队作为设计的实现者，而利用3D打印技术，将设计和产品制造环节一体化，并利用3D打印技术不断检验设计对需求的反馈情况，不断迭代。路径如图1所示：

3结论

3D打印技术的发展允许设计人员把创意设计快速制作成实体产品，在定制化产品的设计与生产中，允许产品的外观与功能实现合理的配置与调整，可以满足用户个人需求及产品偏好从而实现创新设计。用户在定制化设计与制作的过程中体验到愉悦感，提升心理体验。

本文首先介绍3D打印技术的发展历程及其在产品设计中的优势，即简化了产品的制造环节，同时满足了单件、小批量的产品的快速制造需求；其次，分析用户定制产品设计的个性化需求及方法。最终给出基于3D打印技术的用户定制产品设计路径。