3D打印技术在产品设计中的运用研究

赖诗卿

关键词：3D 打印技术;产品设计;运用

1 3D 打印技术概述

3D 打印技术是指根据产品模型三维空间的情况，用材料将模型一层一层堆积而成的工艺，又稱为增材制造。根据选用的材料和成型工艺的不同，可以分成熔融沉积工艺（FusedDeposition Modeling，FDM）、液态光敏树脂选择性固化工艺（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、粉末材料选择性烧结工艺（Selected Laser Sintering，SLS）等常见的几种类型。

1.1 熔融沉积工艺（FDM）

熔融沉积工艺没有用计算机控制激光能源，使激光将液态光敏树脂或者粉末状的材料固化，而是将各种丝材（如聚碳酸酯PC、工程塑料ABS 等）加热熔化进而堆积成型的方法。FDM 相比较而言，加工的成本比较低，所用的材料是环保材料，不产生废料和有毒物质，对于加工环境要求不高，但是其加工的精度比较低，导致零件比较粗糙。

1.2 液态光敏树脂选择性固化工艺（SLA）

液态光敏树脂选择性固化工艺是一种最常见的3D 打印成型工艺，激光在计算机的控制下对液态光敏树脂按照零件的分层截面的轮廓为轨迹进行逐点扫描，被扫描截面的光敏树脂和激光产生聚合反应，从而形成薄层截面。当一层截面固化完毕，升降台自动向下移动，依照相同的原理形成零件的另一层截面，同时刮板刮去多余的固化树脂，激光束还会对形成的截面之间进行扫描，使得两层截面之间牢固地粘合在一起，重复前面的工序直至完成整个零件在树脂槽内的固化。SLA 适合加工结构特别复杂且体积小、造型精细的产品。其模型的形成过程可以在自动化的环境中进行，模型表面处理精度高，尺寸误差小[1]。

1.3 粉末材料选择性烧结工艺（SLS）

粉末材料选择性烧结工艺和液态光敏树脂选择性固化工艺的原理有许多共同之处，同样是将工件的切片在激光的作用下对切片的轮廓逐层固化，不同之处在于SLS 采用的材料不论是金属还是塑料事先都要形成粉末状，将粉末材料固化成固体性质。SLS可以使用的材料比较广泛，包括金属和陶瓷等，同时因为其成型的时间短，精度高，并且可以完成不同性能的合金材料，在工业领域得到了极大地运用。

2 3D 打印技术在产品设计中的运用思路

2.1 3D 打印技术在样品模型中的运用

2.1.1 样品模型的快速成型

在市场调研后，确定了消费者的需求，根据设计方向绘制产品的草图、效果图。传统的产品设计根据效果图做产品的实物手板来进一步验证产品的缺陷和不足，针对缺陷进行改进，直到不能从个别的手板中找出不足。但是手板是人为手工的制作或者在半自动化的过程进行的，需要耗费大量的时间和精力，制作过程复杂，手板模型还会出现较大的精度误差。

3D 打印技术改善了传统产品设计的弊病，在模型的制作中可以快速获得立体模型，使得设计师可以高效地查看模型结构设计的合理性和验证功能部件正常运行，在评估和验证之后并作出有效地调整，相较于传统的手板制作降低了模型制作的难度，提高工作效率[2]。3D 打印技术在计算机辅助下可以提高产品模型的精度，尤其适用于高精度模型的制作。

2.1.2 过滤性与验证性的创新过程

设计想法形成的过程是不停地探索和反复地过滤，直到最终想法的形成（如图1）[3]。产品需要打磨，不仅仅包括模型本身，还打磨想法和创意，手板模型耗费巨大的精力，而3D 打印技术却能够快速形成样品模型，这样在创意转瞬即逝的产品创新开发的过程中能够迅速抓住迸发的想法。

在产品开发的生命周期中，从产品需求到消费者手里的具体产品甚至是回收的过程中并不是一个正向的顺畅的过程，有的时候会在某个环节停止，然后往回推导的反复验证的过程，这种过程是常见的，3D 打印技术为这种常见的过滤性与验证性的过程提供高效的可能性。

产品设计在新产品开发过程中有两个重要的阶段，第一阶段是设计产品的外观，包括造型、材料、色彩、肌理等，第二阶段是产品的内部结构设计，通过卡扣、限位、螺丝柱等来实现产品运行的可能[4]。尽管可以在计算机中预览产品的模型、部件的性能分析和材料可行性。3D 打印技术的成品模型仍然能够在现实中直观地展示各部分零件之间的相互作用，看到产品的外观造型，验证各个部件之间安装拆解的可能性。

在产品需求、方案效果图、材料工艺颜色选择、模型样品制作的产品开发周期中，可以在每个环节进行开发的验证或者在前面的环节重新推导。因为样品模型的成型时间大大缩短，从而提高了研发的效率。

2.1.3 释放想象的空间

在新产品设计研发的阶段，设计师要应付产品需求下的方案制作，效果图呈现和模型的制作，传统的手板模型需要设计师手工或者在半自动化的环境下制作，极大地耗费了精力，然而3D打印技术能够快速形成样品模型，设计师能够将更多的精力放在产品外形和创意功能的实现上[5]。设计师并非只依靠个人的力量，而是在设计活动中扮演组织者的角色，创新有时候往往是在高效协作和轻松愉快的环境中产生的。

3D 打印读取的是.Stl 格式文件，.Stl 文件格式的模型是由三角形的网格组成的[6]。三角形的网格越小，打印模型的精度越高，这样为模型的精密结构和细微的表面表现提供了可能，在复杂的造型上，尤其在曲面制作和纹理的加工，手工制作往往比较难以实现，3D 打印技术的高精度模型是设计师想象空间的外延，帮助设计师由想象的产品变为现实。

2.2 3D 打印技术在产品批量生产中的运用

3D 打印技术是将材料逐层打印叠加的方式形成模型，称之为“增材制造”，相比较于传统切、削、车、铣、磨，将部件的材料去除的“减材制造”加工工艺，节约了生产的成本[7]。

加工成品的过程中根据部件材料的性质选用不同的加工工艺，金属、木材等需要刀具的切削、转孔或者机器的冲压，塑料、陶瓷、玻璃等需要用到模具成型。在产品的批量化生产中，模具的加工需要较多的人力、物力和较长的周期，3D 打印技术的“增材制造”方式省去了模具的开发和制造的环节，根据三维模型进行逐层打印，实现了生产材料的“零”浪费[8]。

2.3 3D 打印技术在零部件维护中的运用

在产品批量化生产的阶段，根据市场情况，可以加工生产多余的零部件来满足未来产品容易坏损的部分。但是因为千变万化的市场情况和企业成本的考虑，产品零部件有时候需要在维修和售后得到解决，3D 打印技术的灵活性和便捷性可以解决快速形成零部件的问题。产品需要维修的时候，消费者可以针对产品的某个部分零件进行拆除，然后利用3D 打印技术的快速成型技术增加改善破损的零件，相比较于传统的批量化生产，不会因为数量极低的部件而重新开启一条生产线，从而极大地浪费了企业的成本。

3 结语

科技的进步带动制造业的发展，为人类的生活带来了便利，设计、科技、人文相互作用，相辅相成。3D 打印技术的发展影响了产品生命周期的各个环节，使得设计开发的过程中模型样品得以快速成型，摆脱了复杂的、耗费时间的手板制作，在消费者需求、草图方案到直观的产品模型等各个环节进行过滤与验证，以求设计出最接近消费需求的产品，释放设计师的想象空间，加快了研发的进度和成效，加强了产品的创新。从企业自身出发，在产品生产的阶段省去了模具开发制作，并且可以在短期时间内补充维修和售后环节中个别零部件替换的问题，省去了企业生产的成本，提高了效益。