3D 打印技术在产品设计中的运用研究

刘向远方

产品的生产与优化设计需要采用新型技术，3D 打印技术是增量制造的通俗名称，增量制造顾名思义就是通过对材料的不断累积叠加进行的产品生产模式。它在产品设计中的运用，可以有效提升设计效果，当前的3D 打印技术相对多样，设计人员要根据需求进行技术方案选择。

一、3D 打印技术在产品设计当中应用的意义

（一）降低制造和生产以及管理等方面的成本

3D打印技术的另一个名称或者是从技术角度上命名叫作增材制造，这种打印或者制造方式利用材料累积的办法，大大降低了材料的使用和浪费，不仅节省了材料，而且省去了传统制造过程中需要进行的各种车床操作，还能够制造出传统机床无法实现的结构造型。

3D 打印的另外一个特点是制造速度快，以往制造原件需要先生产原材料，再进行车、削来实现设计需要的结构外形，而3D技术可以不需要模具和辅助工具，只需要在计算机中输入设计图纸，便能够一次成行完成设计造型，省略诸多的生产流程，大大缩短了产品的生产周期，特别是对于结构复杂，外形特殊的产品，3D 打印具备颠覆性的产品生产优势。

另外，3D 打印还具备高度的自动化，基本不需要人工值守，便能自动完成产品生产。相比较传统生产模式，各个环节中需要各种各样的机器设备，并且需要人为的控制产品的各个设计参数，3D 打印完全摒弃了这些环节，大大地节省了人工成本。

（二）打破传统设计的思维局限性

3D打印技术的一体化成形原理类似于将材料按照设计图纸进行堆叠，因此，可以通过这种方法制造出结构极其复杂的产品。简约描述生产流程为：设计师首先通过三维设计软件设计出产品模型，设计过程中应当保证产品模型的完整性，然后导出STL格式，3D 打印机按照该格式内容进行打印。3D 打印机在改进的过程中，逐渐演变成由三角形的细小单位进行产品部件的堆叠，因为面积较小，所以最终的产品结构更加精细。3D 打印机巧妙地利用小单位物体堆叠的方式，按照图纸形成最终的产品，3D 打印因此有了无限的可能性，几乎把传统制造的限制统统打破了，3D 打印好像是画师的画笔，只需要设计师进行天马行空的想象和创作，3D 打印几乎没有什么事情是做不到的，这对于传统制造业来讲，几乎是颠覆性的，对于特别复杂的结构，交给3D 打印几乎是必然的趋势。

（三）缩短了产品的成型周期

随着世界进入了消费主义的时代，地球上的人类从未像现在这样热衷于消费，这种时代使得产品的形态和数量得到了爆发式的增长。显而易见，传统的产品设计生产已经不能适应这种快速增长的消费模式，从产品设计到产品生产的过程耗时长。而3D打印的时代，将会终结过去的这种从设计到生产的漫长环节，未来的企业在利用3D 打印技术之后，能够快速的研发，设计，生产，产品上市的周期将大大缩短，最先应用3D 打印技术的企业将获得行业中的领先地位。

（四）节省了产品的研发成本

传统的生产制造小到玩具的一个零件，大到汽车飞机的模型，在设计生产的过程中都严重依赖模具，模具的生产成本非常的高昂，也因此，企业设计一套模具就希望能够延长模具的使用周期，以此来控制成本。这种生产制造方式变相地增加了企业的研发成本。并且这种方式会产生较大的风险，一旦产品无法被市场证明，那么模具设计生产的费用便成了风险。3D 打印没有这种负担，因为设计过程只需要设计师的图纸便能够直接生产产品，企业可以通过少量的成品投放市场进行验证，如果被市场证明是成功的产品，便可以扩大规模批量生产。这种模式大大地降低了企业的研发风险。3D 打印在和模具生产之间产生良好的印证作用，让企业的生产经营模式更加灵活。

二、3D 打印技术概述

（一）熔融沉积工艺（FDM）

熔融沉积工艺是挤压型3D 打印技术，其原理是通过将某些材料，如塑料，树脂，尼龙等进行加热，喷嘴喷出融化的材料并按照图纸进行移动堆叠，当材料冷却之后形成了设计图纸的产品构造。这种工艺的特点是成本低廉，劣势是产品精细程度不足，较为粗糙。

（二）液态光敏树脂选择性固化工艺（SLA）

液态光敏是当前中高端产品生产应用较多的一种3D 打印技术，也是光聚合型打印技术的一个分支，该工艺的原理是通过激光融合光聚合物，比如环氧树脂等材料形成设计图纸中的产品形态。SLA 业态光敏树脂的生产工艺的主要特点是对于尺寸误差精度高，能够加工结构特别复杂或者体积比较小的产品，甚至还能够加工超小的微粒。

（三）粉末材料选择性烧结工艺（SLS）

粉末材料烧结工艺和上面提高的SLA 的工艺较为相似，名称是SLS(Selective laser sintering),在3D打印的范畴中属于颗粒型的3D 打印模式，不同于其他的材料，SLS 主要使用塑料和金属粉末以及陶瓷粉末进行打印，该打印方式的特点是速度快，精度高，对于不同产品的材质适应性广泛，在工业中的应用范围非常大。

三、3D 打印技术在产品设计中的运用思路

（一）3D 打印技术在样品模型中的运用

1.样品模型的快速成型

一个企业研发一款产品的主要流程为，首先按照设计构想进行市场调查，得到市场调查的反馈之后，对产品设计进行完善，制作出反映产品特点的效果图。然后根据效果图进行手板设计制造，以此来验证产品的可行性并进行优化。然而，手板制作有两个缺点，就是制作周期长，另外具备较大的误差，精度不足。

3D 打印技术相比较传统的产品设计生产流程而言，最大的优势就是能够在最短时间里得到立体模型，设计师能够通过立体模型对产品的结构进行各种角度快速验证，并以此来进行产品的完善和优化。而传统手板需要耗费较长的时间，大大提高了产品研发效率。3D立体模型相比较传统手板的精度也得到了大大的提高，特别适用于对精度要求较高的产品。

2.过滤性与验证性的创新过程

在产品设计领域，任何一款产品都是在经过反复的测试和修改中，才逐渐决定最终版本的。而在传统产品的研发设计调整流程中主要依赖手板的模型制作，然而手板模型的制造修改往往要投入大量的人力物力以及时间。3D 打印改写了这种漫长的产品生产流程，特别是在当今产品飞速更新换代的时代，3D 打印能够在短时间内，迅速灵活的调整产品设计思路，这是企业抓住瞬息万变市场的法宝。

一个产品从概念到实际产品，到消费者使用反馈进行调整，甚至到最后的产品回收，往往不是一个正向的非常稳定的状态。很多情况下，会静止在某个环节，需要通过进行逆向的验证来调整产品方向。以往要做到这一点并不容易，然而，3D 打印技术的出现，很好地解决了验证性在产品流通环节中的可能性。

通常在产品开发的过程中主要通常有两个阶段，一个阶段是产品的视觉外观部分，主要反映在产品的外观造型，色彩，材质，触感等等，第二个阶段是产品的内部结构问题，即让通过零件等连接部件让产品能够正常运转。虽然传统的产品设计也能够通过计算机展示产品的相关技术参数，但是，仍然无法与3D 打印直接拿出成品进行测试得来的试验结果有效，而且3D 打印出来的成品能够看到外观造型，以及各个组件之间实际的关联度是否符合设计要求。

3.释放想象的空间

在一件产品的设计研发过程中，设计师的主要工作是实现产品需求的制作方案，包含效果图以及模型的制作，在没有3D 打印时代，依靠手板模型来实现以上工作，而传统手板智能在手工或者半自动化模式下制作，耗时费力。当3D 时代开启，依据设计图能够快速的生成产品模型，至此，设计师能够把全部的精力放在对产品的精心打磨的过程中。当前的3D 打印机能够识别多种格式的图纸，而应用最多的是stl 格式，该格式所以靠的模型是由三角形单位组成的，三角形的棉结最小，因此堆叠形成的精度比较高。这使得对精密度要求较高的零件产品，也能够通过3D打印进进行生产。特别是在比较特殊的角度，例如曲面和纹理的实现过程中，手工耗时费力，效果一般，但是具备高精度打印的3D 打印技术，则能够很好地实现设计师的想法，让设计师将想象力结合现实需求，实现高端产品的设计。

（二）3D 打印技术在产品批量生产中的运用

3D打印的原理是通过将材料进行堆叠形成图纸的构造，因此，也称之为增量制造。这种制造方法省去了传统制造工艺中的切，削，车等去除多余材料的制造方法。这种增加的方式很好地解决了生产材料浪费的弊端。传统的生产制造过程需要通过对不同材质的产品部件，进行各种工艺实现连接和或者功能，而3D 打印技术直接去掉了模具的开发制造部分，依据三维模型设计图纸进行增量打印，节省了大量的材料。

（三）3D 打印技术在零部件维护中的运用

传统的产品经过前期设计制造过程后，实现批量生产之后，要依据消费者使用情况，准备很多的产品零部件，但因为市场的千变万化，导致模具生产出来了，产品周期却结束了。而3D 打印的灵活性恰好解决了这个问题，只要保留产品及零配件的图纸，就能快速生产任何需要的零部件，这不但节省了制造成本，而且解决了库存问题。

四、结束语

3D 打印技术的出现，很好地解决了产品研发制造等多方面的弊端，颠覆性的改变了生产制造行业的产品生产流程，在设计阶段，3D 打印结束了传统手板模具制造中的高投入，耗时长，且不灵活的设计方式，解放了设计师对手板的依赖，能够把全部精力投入到产品设计过程中，在产品的后期阶段，消除了库存和模具的依赖，大大节省了企业成本。