【解析】3D打印技術在產品設計中的應用概況

3D打印技術具有傳統(tǒng)制造工藝所不具備的優(yōu)勢,，例如產品多樣化的同時不增加成本,、無需組裝,、零時間交付,、零技能制造等,，且已經在航空航天,、汽車制造以及工業(yè)裝備制造等領域得到應用,。在產品設計領域，因為今后個性化和定制化的產品會逐漸成為市場主流,，而3D打印技術可以按照消費者的個體想法生產物品和創(chuàng)意作品,，使產品的個性化設計與生產成為可能。本文著意介紹了3D打印技術與材料的基本知識,，并概述其在產品設計領域的應用現狀,，為其在該領域的進一步應用拓展啟發(fā)思路。

3D打印技術概述
（一）工藝
目前,，3D打印技術所使用的較成熟的工藝主要有熔融沉積成型（FDM）,、激光近凈形成型（LENS）、熱熔膠粘接薄材（LOM）,、光固化成型（SLA）,、粉末激光燒結成型（SLS）和噴涂粘接成型（3DP）。

1.FDM：是斯科特·克倫普于20世紀80年代發(fā)明的,。FDM打印機沉積材料的打印頭通常沿著一系列的水平,、垂直軌道移動。沉積第一層時,，打印頭先勾勒出要打印物體的輪廓,，然后打印頭來回掃描以填充輪廓。第一層打印完成后,，打印頭會略微抬起,，然后回落并開始第二層打印。3D打印機持續(xù)重復該過程,，打印出設計文件所描繪物體的每個橫截面,。

2.LENS：將材料粉末吹入精心引導的高功率激光束。錯過光束的粉末會落在一邊,，遇到激光焦點的粉末會立即融化并融合到增長部分的表面,。因此，當激光的焦點掃描 過打印對象的輪廓,，打印頭吹出更多的粉末時,，部件就會一層一層地逐漸增長。

3.LOM：將材料薄片層壓成一個單獨的三維實體,。在設計文件的指引下,，刀具或激光束將實體外形的輪廓從紙,、塑料或金屬的材料薄片中切出，切完一張薄片后,，鋪入一張新的黏合薄片開始下一層的切割,。打印機將切好的紙、塑料或金屬薄片堆疊在一起,，當制作對象的所有橫截面都切好后,，將這些切片層按壓融合為一個三維實體。

4.SLA：通過激光掃描光敏聚合物來形成三維實體,。它的工作原理是激光掃描光敏聚合物以后,，打印機臺面下沉，將已經打印的部分沉入液體中,，新的光敏聚合物覆蓋其頂部,，如此往復，有些SLA打印機以相反的方式工作,。

5.SLS：由德克薩斯大學研究員卡爾·德卡德和約瑟夫·比曼于20世紀80年代發(fā)明,。它不使用液態(tài)光敏聚合物，而是使用粉末,，采用二氧化碳激光器將粉末狀材料選擇性燒結成固體件的方法成型,，打印過程完成后物體被最終埋在粉末下。

6.3DP：3DP是在20世紀80年代由麻省理工學院的學生保羅·威廉姆斯和他的導師伊萊·薩克斯教授發(fā)明的,。它是通過打印頭將黏合劑或某種膠擠到原材料粉末中打印實體的,。由于3DP打印機通過在原材料內擠入膠水生成層，所以并不需要激光,，而且有很多原材料可以使用,。3DP打印機不需要高功率的組件,，因此其操作的能源效率高,。不利的一面是它不用激光，從而很難制造出很薄的層,，制造出的物體往往表面粗糙,，但可以彩色打印。

（二）材料
根據不同的3D打印的制造工藝,，對應著不同的3D打印材料（表1）,。 此外還有應用于打印消費類電子產品、醫(yī)療設備以及汽車輪胎,、墊片,、內飾等的橡膠材料、陶瓷材料,，以及應用于珠寶和藝術品的玻璃材料,。

3D打印在產品設計中的應用
（一）玩具
3D打印技術的流行和普及將定制化的理念融入到玩具的設計和制造中,，人人都可以成為生產者，資源和能源的浪費也將大幅減少,。一家名為Dream Factory的公司2015年發(fā)布了一個專門為4-10歲之間兒童設計的3D打印城市玩具“Buddyracers”（圖1）,。完整的“Buddyracers”系列是由Dream Factory的3D構建師Fabian Magri和John Revilla設計的，整套城市玩具包括建筑物,、樹木,、街道設施、人物,、車輛等70件3D打印模型,。Dream Factory公司表示，除了這70件3D打印模型以外,，孩子們還可以通過定制和創(chuàng)建新的3D模型來擴展自己的玩具數量,。Dream Factory的首席3D構建師Yanizo稱：3D打印每輛車需要1個半小時，每個角色需要20分鐘,，這些模型在設計初期都經過精雕細琢,，以減少打印時間，并且不需要支撐結構,。

（二）家居制品  
3D打印技術能夠打破傳統(tǒng)的造型理論,，可以制作許多傳統(tǒng)制造工藝很難制作或無法制作的家具。在巴黎制匯節(jié)上,，Drawn公司用他們自己設計的加拉太亞3D打印機制造了巴比倫椅（The Babylon Chair）,。

從外觀來看，其表層質量非常均勻,，而且每層都十分流暢和一致,。逐層堆積形成的一圈圈紋路使家具的造型更加獨特和美觀，給我們帶來視覺上強烈的沖擊力.意大利3D打印機制造公司Sharebot與意大利家具公司Nespoli結成合作伙伴,，共同開發(fā)3D打印家具——細木工板護壁板（Boiserie）的解決方案,。Nespoli和合作伙伴對裝飾元素進行三維掃描，制作成可以任意縮放尺寸的三維模型,，然后使用Sharebot XXL 3D打印機完成細木工板護壁板的制造,。三維打印機使用FFF（熔融纖維制造）技術，可以打印出700mm×250mm×200mm的高精度實物,。這個項目,，使數字化制造和現代化產品完美結合，讓3D打印制作細木工板護壁板這樣的裝飾性元素成為可能,，讓那些已有百年歷史的傳統(tǒng)技術更完善,。

（三）文化娛樂
1.藝術品擺件
3D打印技術的成熟使得一些原本難以用手工完成的工作變得容易實現，同時也激發(fā)了藝術家的創(chuàng)作靈感,，比如一個3D打印的個性化花瓶,。它是用石膏粉摻入粘結劑,，注入到打印噴頭中，逐層打印出來的,，產品成型后使用密封膠以確保耐用性和更多生動的顏色,，3D打印使這種具有奇特造型的設計變成現實。

2.樂器
美國密歇根大學的工程系學生Daniel Olson使用一臺桌面級3D打印機（（MendelMax 2.0 3D打印機）完整地打印出了一把三閥小號,，它是由17個獨立的零部件（使用的是ABS材料）組成的,，最后組裝到一起，形成了外觀和感覺與普通的小號一樣的作品,。它雖然能夠演奏曲子,，但音質不好。

3.個性消費品
由于3D打印能夠制造各種形狀相對復雜的配件,，所以3D模型設計師精心設計的各種樣式的3D模型得以展現,，其外形美觀、經久耐用,。Polychemy公司利用3D打印技術打印出了極具個性的手機殼,。它用堅固有彈性的聚酰胺塑料，利用3D打印機打印出模板,，之后經過雕刻而制成,。Polychemy公司還推出了指紋,、漩渦,、迷宮等圖案的手機殼，另外還可以把自己的名字融入到設計中,。這些3D打印的手機殼給人留下深刻的印象,，不僅實用，且外形美觀,，充滿時尚氣息,。

4.定制鞋  
傳統(tǒng)制鞋工藝中，設計,，做模型,，再做鞋子,，重復上千次才能制作出與設計師構思完全相符的鞋子,。2013年，Earl Stewart在惠靈頓維多利亞大學Ross Stevens的指導下,，設計了“XYZ shoe”,。“XYZ shoe”有151XYZ和098XYZ兩種款式,，展示的是151XYZ,。Earl Stewart利用精確的3D掃描技術制作個性化的3D打印鞋,，每只鞋都用3D掃描儀掃描使用者的腳，以獲得準確無誤的尺寸,，然后將這些數據傳送到多種材料的3D打印設備中,，將掃描數據轉化成精密的物體，最終設計制造出靈活舒適的個性化鞋子,。這不僅滿足了設計師的要求,，也滿足了使用者的需求，充分體現了3D打印定制化,、個性化,、小批量生產精細產品的優(yōu)勢。

3D打印在產品設計中所面臨的問題

3D打印有五大子產業(yè),，即設備商,、材料商、設計軟件供應商,、設計師,、云設備商。在產品設計領域,，3D打印技術激發(fā)了設計師的創(chuàng)作靈感,，但在設計軟件的完善、更加精確的模型輸出格式等方面依然存在著亟待解決的問題,。目前諸多的實例證明,，3D打印技術可以與設計完美地結合在一起，但是如何讓其成為產品,，形成可行的產業(yè)鏈成為至關重要的問題,。

例如：3D打印家具受材料和工藝的限制，不具有傳統(tǒng)制造工藝的優(yōu)勢,，另一方面,，3D打印材料的環(huán)保性等各項指標還有待專家部門的權威檢測和認證。現在雖然可以用3D打印機打印較大的家具實物,，不過其價格非常高,。但在家具的連接結構和復雜結構家具的生產方面，3D打印技術可以與傳統(tǒng)制造工藝相結合,，形成互補,，從而制作出更加舒適和美觀的家具。

3D打印技術正處在不斷發(fā)展的階段,，其本身又存在先天性不足：3D打印技術的相對單一制約了材料的更新,，而新材料的不斷研發(fā)又會帶動技術的更新，二者是相輔相成的,，而3D打印技術的打印時間過長,、打印尺寸有限制及大批量生產無成本優(yōu)勢等方面使3D打印仍不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造工藝,。在產品設計領域，我們需要更精確,，更快的打印技 術以及更豐富的打印材料,。

通過上面的例子我們可以看出，3D打印技術在產品設計領域已經得到應用,。在產品設計領域,，3D打印技術可以滿足個性化產品需求和實現復雜結構產品制造，這激發(fā)了設計師的創(chuàng)作靈感,，將設計師與普通人緊密地連接在一起,，為產品設計帶來新的生命力，其發(fā)展前景十分廣闊,。同時,，3D打印技術也存在一些設計、技術和推廣上的問題,，今后,，隨著這項技術的成熟與發(fā)展，必將在產品設計領域得到更加廣泛的應用,。

編輯：南極熊
作者：付航 李鵬