從設計角度談3D打印對各行業的重造

賈雪瀾

摘 要：3D打印是一種將3D模型構建為真實物體的快速成型技術，其以制造成本低廉、生產周期短、個性化量產等優勢被廣泛應用于各個領域，發揮著積極的作用。從設計的角度，具體論述了3D打印為各個行業帶來的影響和變化，詳細分析和解讀了3D打印為各行業帶來的機遇和挑戰，并提出了自己的觀點。

關鍵詞：3D打印；設計；個性化；量產

中圖分類號：TP751 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.003

近兩年，3D打印以迅猛的發展態勢在全球范圍內引起了巨大的轟動，鋪天蓋地的資訊和報道使3D打印快速地被公眾熟知。網絡中出現的高頻詞匯——“3D打印人類心臟”“3D打印人造骨骼”“3D打印槍械”等，使3D打印披上了一層神話般的外衣。事實上，早在25年前，3D打印技術就已經存在了，并且成功應用在設計和工業等領域。隨著科學技術的發展和3D打印機價格的逐步降低，3D打印已經逐漸走入了普通人的生活中。因為3D打印技術的不斷革新和成熟，其應用范圍也在日益擴大，使得未來充滿了無限的可能性。無疑，3D打印將會帶來一場足以影響人們日常生活、改變物品制造方式、重造行業規則的重大變革。

1 概述

3D打印（3D Printing）是以3D數字模型為原型，運用易黏合的粉末狀固體顆粒或具有高熱塑性的塑料等耗材，以逐層堆疊、累積的方式將3D模型構造為實體模型的快速成型技術。

運用3D打印技術打印3D實物的主要流程為：①通過計算機軟件設計3D數字模型，生成.STL格式或其他格式的3D模型文件后，利用計算機縮放和修補該模型，使其調整為適合打印機型號的大小和分辨率。②使用專業的分層軟件（比如SLICER、SFACT等）將其分層，將生成的GCODE文件傳輸至3D打印機，等待幾小時后就可以看到和模型幾乎一模一樣的實物。常見的3D打印工藝技術有熔絲制造（Fused filament fabrication，FFF）、熔融沉積成型（Fused deposition modeling，FDM）和粉末層噴頭3D打印（Powder bed and inkjet head 3d printing，PP）等。目前，比較普及的3D打印材料有金屬粉末、熱塑性粉末、陶瓷粉末、ABS樹脂、熱塑性聚酯和鑄造蠟等。

隨著3D打印技術的不斷創新，能夠運用于3D打印中的材料也越來越多。3D打印已經不僅僅局限于打印模型，而是被更廣泛地運用于生活中的各個領域，可以說，3D打印是將虛擬與現實連接起來的橋梁。從前，那些只能存在于設計師手稿里卻無法實現的獨特設計、讓生產機器和手工藝人無從下手的絕妙構思、以數據的形式封存已久的科學創想，在3D打印技術的幫助下，都能實現。目前，3D打印已經被廣泛應用在珠寶設計、服裝設計、工業設計、航空航天和醫療工程等諸多領域。在不遠的將來，3D打印也將以其成熟的技術在更多領域發揮優勢，創造更大的社會價值、經濟價值和藝術價值。

2 3D打印的優勢

3D打印采用的是“增材制造”技術，具有比機器批量生產使用的“減材制造”更為突出的優勢，具體表現為：①制造成本低廉。1臺3D打印機可以根據不同人的不同需求，按需打印出形態各異的產品。它無需提前備貨或大規模鋪貨，更不會出現滯銷現象，在節約成本的同時，還可以減輕資金運轉的壓力。②環保節能。3D打印是完全按照3D模型進行的，在打印過程中，產生的廢料可以繼續使用（比如粉末層噴頭3D打印技術），或本身不會產生多余的廢料（比如熔絲制造技術）。③零時間交付。3D打印因為具有按需打印、就近生產的特點，所以，顧客可以在提交訂單并被商家成功受理后，到最近的3D打印站就可以打印出所需的產品，無需等待漫長的加工和運輸過程。

另外，3D打印比工人手工制作更加便宜、精準，并且產量較高，具體表現為：①突破工具的限制。工匠制作受設計圖紙、制作工具和個人技能等因素的限制，使得很多結構復雜、造型奇特的設計無法制作完成。3D打印突破了工具的限制，能夠制造出形狀復雜的物品。使用該技術，不會比制作簡單物品難，消耗更多的時間和成本。②突破了工人限制。將3D模型設計圖導入計算機后，利用簡單的操作就可以打印，無需掌握過多的專業技能即可操作。這樣做，不僅降低了對工匠個人手藝的依賴，減少了個人因素對制作的影響，還有效避免了無法傳承老手藝人技藝所造成的缺憾。③突破了時間的限制。3D打印零時間交付的特性使其不再受時間的限制，顧客可以在最短時間內得到所需的產品，無需等待較長的制作周期，更不會因為制作工藝的復雜而延長制作時間。

3D打印將機器批量生產的高效率、高產量和低成本的優勢，與工人手工制作的多樣性和個性化的特點完美結合起來，使設計與制造之間聯系更為緊密，運用更為靈活。3D打印技術被冠以“第三次工業革命最具標志性的生產工具”的美譽，可謂名副其實。

3 3D打印對各行業的更新和改造

雖然3D打印具有諸多的優勢，但是，其弱勢也更為明顯。3D打印的缺點是它不能大規模生產，無法提供規模經濟。當一產品備受好評而被用戶廣泛定制時，依靠3D打印技術生產數量較多的相同產品是不具備優勢的，在這一點上，機器大規模生產具有一定的優勢。然而，這一突出的弱勢也造就了3D打印最大的優勢——個性化量產。3D打印公司可以憑借與標準產品相同的質量和價格，為用戶提供定制化體驗，以滿足不同人的個性需求，從而體現出制造價值，提升競爭優勢。

毋庸置疑，3D打印技術將創造新的商業模式，淘汰舊的商業模式。在這場轟轟烈烈的行業大變革下，一些職業會從此消亡，一些會改革轉型，同時，還會催生出眾多前所未有的新興行業。這無疑將是一場給人類未來的生活方式、工業生產模式和商業運營形式帶來巨大影響和變革的“科技颶風”。

對大多數企業來說，產品更新是一個緩慢且慎重的過程，推出一款新產品要充分考慮前期制作和后期運作成本，并要承擔推向市場后不被大眾接受或需要反復修改的風險。對于一些處于起步階段或規模較小的企業，設計新的產品更需要“不成功便成仁”的勇氣。3D打印技術的出現，為企業設計和研發新產品帶來了希望，創新不再是讓企業望而卻步的“奪命丸”。當設計部研發出新的產品后，可以利用3D打印技術打印出實物，并在最短的時間內修改和調整實物中有缺陷的部位，避免因為一個小小的改動而造成大量產品被浪費的情況發生。另外，企業可以運用3D打印技術先生產小批量的產品投放到市場，再根據市場反應來決定是否大批量生產，從而有效降低新產品帶來的財務風險。

對設計師來說，3D打印技術也使他們的才能得以最大限度地發揮。在3D打印技術還未問世前，設計師受現有資源和技術的制約，很多絕妙的創意和構思都無法實現。而現在，只要能想到的，無論結構多么復雜、形態多么扭曲，3D打印都能實現。荷蘭設計師Iris van Herpen設計的3D打印服飾就將復雜結構下的空間和立體發揮到了極致。她以非傳統制衣材料進行創作，比如塑料、金屬、樹脂玻璃等，利用3D打印技術制造出復雜的紋路和褶皺，進而呈現出極具未來感的設計意圖。比如，冰島前衛女歌手Bjork在她的專輯《生物戀》中所穿的金色裙子，就是Iris van Herpen利用3D打印技術設計制作的，裙子由皮革制成，并裝飾了經過激光切割、浸膠涂漆處理后的金色箔片，使其在燈光的變化中可以反射、振動，甚至發出聲響，達到絕佳的舞臺效果，如圖1、圖2所示。

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3D打印還使一批與之相關的產業應用而生，比如，隨處可見的3D打印店、3D照相館等，可以根據用戶不同的需求而制作的3D打印巧克力、蛋糕，以網絡銷售為主的私人定制產品專賣店，分享和出售個人3D設計模型的論壇等。

美國總統奧巴馬在他的演講中曾說過：“3D打印將為幾乎所有物品的制造方式帶來革命性的變化。”正如奧巴馬的預測，在不遠的將來，會像現在熟練使用打印機一樣，輕松地將腦海里閃現的靈感打印為實物，也可以像在Photoshop（制圖軟件）里編輯圖像一樣，為將要打印出的實物加入特殊的符號和花紋，甚至在急需某個不易購買的物件時，走到街道上，在隨處可見的3D打印便利店里就能買到……而這一切不是毫無根據的想象，它成為現實只是時間問題。

現如今，3D打印在一些歐美發達國家已經相當普及，許多國家為了在新工業革命中占據領先地位，給予了3D打印技術研發巨額的支持，并相繼出臺了相關政策和投資發展方案。所以說，3D打印已經在重視創新的發達國家初步形成了商用模式，不少家庭和個人已率先體驗到了3D打印帶來的便捷和智能。供家庭使用的3D打印機可以打印小型的塑料或石膏制品；用于工業領域的3D打印機可以制造大到汽車，小到零件的高精度產品；用于食品制造業的3D打印機，可以制造出健康、美味和精致的食品；用于醫療產業的3D打印機，可以用特殊的材料打印出能與人體共存的骨骼和器官等。

也許很多人并不知道，目前，市場上80%的助聽器都是由3D打印機制作完成的。用3D打印機打印出的牙冠、假肢、隱形眼鏡和助聽器等，也已經進入了普通人的身體，讓人們從中受益。由美國Bespoke公司設計并定制的假肢，使那些失去部分肢體的截肢者有了更加舒適的感覺，并獲得了屬于他們的尊嚴。Bespoke公司掃描每一位客戶相應身體部位的數據，比如，

左臂患有殘疾就掃描健全的右臂數據，使用獲得的數據在計算機中建模，經過整理后，為假肢3D模型設計文件。這樣設計出的假肢可以保持身體的對稱性，使其活動更加協調。3D打印的假肢較與傳統的假肢相比，更注重客戶的感受，不單單重視實用性或美觀性，比如，大多假手是通過鉗形的鉤子來抓取物品的，這完全忽略了失去手臂的截肢者的心理感受，其難堪和自卑感僅靠修復殘缺肢體的功能性是不能彌補的。另外，還有些假手雖然具備了“手”的形態，但是，卻沒有“手”的功能，這類設計并不能為他們的生活帶來更多的便捷。而Bespoke公司采用了高度定制化技術，甚至還支持客戶選擇自己假肢的設計風格——鍍層材料、罩面漆、花紋圖案、鏤空或浮雕等，這些都可以由客戶自主選擇，如圖3所示。無疑，3D打印的假肢可以充分適應使用者的身體，不僅能夠為他們帶來生活上的便捷，更重要的是，還會讓他們更加時尚、更加自信。

4 3D打印的未來

當3D打印造福于人類時，由此引發的社會問題也是十分尖銳的。當3D打印更為普及時，人們只要擁有設計圖紙和原材料就能打印出槍械、武器甚至是毒品。當自己設計的3D模型被打印為實物，運用于生活中而非僅作為擺在桌子上的模型時，如果設計稍有偏差，造成的危害和影響便是無法估量的。3D打印在未來還會遇到什么樣的難題？在3D打印技術快速發展的過程下，何時會出臺相應的法律來管控，而這些法律條例又是否會對3D打印的發展帶來阻礙或是進一步推動其發展呢？我們不得而知。

盡管3D打印的未來充滿了各種不確定因素，但是，透過它也看到看全新的社會發展情況，而該技術也在各個領域中發揮著積極的作用。隨著科學技術的不斷發展，再加上計算機軟件技術的革新、打印材料的日漸豐富，3D打印技術也將向更加智能化、便捷化、通用化的方向發展。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕