计算机辅助工业设计与3D打印技术初探

董 霞

（西山煤电高级技工学校，山西 太原 030053）

引言

工业设计历史悠久，最初的工业设计侧重于量产工业产品构造、色彩、形态、材料、装饰及表面加工的设计。伴随工业设计理念的逐步成熟完善，现阶段工业设计则侧重于产品全生命周期的系统化设计，工业设计已经由单一产品的设计转变为创造性活动。目前，计算机辅助设计在工业产品的设计、生产及制造等环节均得到广泛应用，设计人员利用3D打印技术打印设计的工业产品，可省略制造模型及审核等环节，显著缩短设计周期，并可直观地测试评估设计效果，及时纠正设计缺陷，使产品能够更迅速地投入市场中。本文总结研究计算机辅助工业设计与3D打印相关技术，希望为设计人员提供参考。

1 计算机辅助工业设计概述

1.1 计算机辅助工业设计的基本概念

CAD（Computer Aided Design）即计算机辅助设计，CAID（Computer Aided Industri-al Design）即计算机辅助工业设计。计算机辅助设计是计算机辅助工业设计的基础，计算机辅助工业设计的主要研究对象为工业设计领域的各种产品。与常规工业设计模式相比，计算机辅助工业设计属于多种信息技术的集成，是多学科相互交叉的高科技产物，可显著提高设计效率、优化设计方法、改善设计质量[1]。

1.2 计算机辅助工业设计的优势

通常情况下，工业产品的设计流程较为复杂，主要包括前期市场调研、产品草图与效果图设计、制作模型、量产，在设计过程中可视化流程占比较高，这也为计算机辅助工业设计应用营造了有利条件。比如在工业设计中可采用Coreldraw、Photoshop等软件绘制工业产品设计的二维效果图，也可采用3DMax、Maya软件制作并渲染产品的三维模型，配合采用CATIA等软件计算产品模型的各项数据，且相关数据可直接应用于在工业产品制造及生产过程中。与常规设计模式相比，采用计算机辅助工业设计能够缩短设计周期，直观且高效地呈现出设计方案，通过相关软件具备的集中化及智能化功能，可显著降低设计难度，设计人员可集中精力优化设计方案，进而促进工业产品质量提升。

1.3 计算机辅助工业设计的发展趋势

目前，计算机辅助工业设计应用范围持续扩大，部分设计人员已能够熟练应用相关技术。未来，计算机辅助工业设计需不断扩展其在工业产品设计的应用阶段，比如在工业产品早期调研阶段，可通过计算机技术及大数据技术进行工业产品设计的信息采集与定位分析，在工业产品设计过程中可采用人体工程学等技术获取产品模型，并对比人体数据库资料，分析设计方案存在的缺陷，通过优化调整获取更为适宜的设计方案，以促进产品质量的持续提升。现阶段，我国计算机辅助工业设计技术尚未形成完整体系，在实际应用过程中仍存在诸多问题，为此相关人员需加强研究与综合分析评估，可将计算机辅助工业设计与人工智能等先进技术融合，利用人工智能数据库辅助完成产品的设计、研发及生产，为设计人员提供丰富的信息资源，进而促进设计质量提升[2]。

2 3D打印技术在工业设计中的应用

2.1 3D打印技术概述

3D打印技术归属于快速成型技术范畴，该技术以特定的数字模型文件为打印的依据，采用塑料或金属粉末等粘合性能良好的材料逐层完成构造物的打印。3D打印技术在工业设计、模具制造等领域应用广泛，也可直接应用于产品制造。3D打印技术的主要环节包括三维设计、切片处理及打印，技术人员需优先通过计算机建模软件完成三维设计，并将三维模型划分为多层截面。3D打印机可读取三维设计文件中的横截面信息，采用特定的材料逐层打印，并将不同截面粘结形成实体结构。

2.2 3D打印技术在工业设计中的应用

3D打印技术诞生于20世纪90年代，该技术以数字模型文件为基础，采用塑料或金属粉末等粘结性良好的材料，通过逐层打印与粘结的方式打印出特定的构造物。目前，3D打印技术在工业设计及模具制造等领域中应用效果良好，在工业设计、建筑设计、汽车、航空航天、鞋类设计、珠宝设计、牙科、地理信息系统、土木工程等领域应用范围持续扩大。常规工业设计模式下，设计人员需在设计的最终阶段制作手钣模型，以评估分析设计方案的科学合理性及可行性，而制作手钣模型耗时较长，且费用昂贵，部分模型精度偏低，实际应用效果不佳。采用3D打印技术，设计人员可构建数字模型文件，利用特定打印材料与3D打印机，短时间内便可获取制作出精度较高的模型，进而降低工业产品研发及生产成本，也可缩短产品开发周期。伴随科技水平的持续进步，3D打印技术逐步成熟完善，3D打印机价格显著降低，将3D打印技术应用于工业设计中可从根本上转变设计模式，提高设计质量，进而促进工业领域的持续发展进步。

3 计算机辅助工业设计与3D打印技术的融合

现阶段，关于3D打印技术与计算机辅助工业设计间关系尚无确定结论。通过对二者技术特点的分析研究可以得知，3D打印技术与计算机辅助工业设计相辅相成，3D打印技术可将计算机辅助工业设计的虚拟工业产品转变为实体产品，而计算机辅助工业设计可为3D打印提供数据。将3D打印技术与计算机辅助工业设计结合，可实现二者的优势互补，进而改进工业产品的设计方案，使设计流程更为合理化，并可降低研发成本，提高设计效率，缩短工业产品研发周期，使其能够在最短时间内入投入使用。

部分机构将3D打印技术与计算机辅助工业设计相结合完成产品研发，并取得良好效果。比如某工业设计人员采用3D打印技术与计算机辅助工业设计完成吉祥物的设计与3D打印。在设计中优先采用计算机辅助工业设计软件制作吉祥物的二维效果图，并采用McNeel公司研发的T-spline（多边形建模插件）与Rhinoceros软件制作吉祥物的三维模型，并通过T-spline软件具备的多边形自由建模功能，构建吉祥物的身体设计模型，输入NURBS曲面命令，将其转变为可自由编辑的曲面模式[3]。完成上述操作后，设计人员需曲面进行必要的修饰调整，不断完善细节部分，进而构建完整的数据模型，并通过STL格式将模型相关数据导入3D打印机内。技术人员依据数据模型内容，在3D打印机中设置打印尺寸并准确定位，完成相关设定后3D打印机执行打印指令，逐层完成打印。打印结束后，技术人员对模型进行适当修整与清理，进而获取最终的吉祥物模型。通过3D打印技术与计算机辅助工业设计的有效结合，设计人员利用一周时间便完成设计与成品打印，且打印效果良好，与传统的工业设计方案相比具有明显优势。

4 结语

3D打印技术与计算机辅助工业设计的有效结合可转变工业设计模式，提高设计效率、降低产品研发费用，并可改善设计质量，有助于促进我国工业产品设计及生产水平的提升。现阶段，3D打印技术与计算机辅助工业设计在实际应用过程中仍存在一定缺陷，为此相关技术人员需加强学习与研究，充分认识到3D打印技术、计算机辅助工业设计的优势，并在设计中合理应用相关技术，以促进工业设计水平的持续提升。同时，相关院校需调整课程设置，将3D打印技术、计算机辅助工业设计作为教学的重点内容，加强专业人才培养，为其提供实践机会，以满足社会需求。