工業(yè)設計下3D打印與傳統模具的互補生存研究

張昊

摘 要：當今時代的兩個最顯著的特點是世界經濟一體化和以計算機為代表的信息技術的快速發(fā)展。如今產品的流程是“設計-制造-銷售-回收”，生活中處處離不開設計。隨著經濟的飛速發(fā)展，人們在注重產品功能的同時更加注重產品的外觀造型，由此，更加復雜的設計應運而生。為了讓傳統制造業(yè)更好地順應時代發(fā)展，避免造成“新興”的3D打印技術收效甚微和傳統模具制造力不從心的尷尬局面，文章論述了3D打印技術方興未艾的原因，重點分析了3D打印技術和傳統模具制造的優(yōu)勢和不足，力求讓二者能夠互相依靠、共同發(fā)展，同時激發(fā)工業(yè)設計師的無限創(chuàng)造潛力。

關鍵詞：工業(yè)設計；3D打印技術；傳統模具制造；互補生存；創(chuàng)新

0 引言

傳統模具制造在過去的幾十年里，為加工制造業(yè)作出了巨大的貢獻，所以又被稱為“工業(yè)之母”。隨著社會的不斷發(fā)展和科學技術的不斷進步，模具的局限性越來越被放大。傳統制造領域正由減材制造逐漸轉向增材制造，這也是技術進步的必然。增材制造就是我們所說的3D打印技術，在驚嘆該技術的先進之余，其背后則是對人類所有創(chuàng)新技術的集成。特別是在強調以創(chuàng)新為核心競爭力的今天，創(chuàng)新力不足正是遏制我國工業(yè)設計發(fā)展的重要原因之一。本文闡述了在3D打印具有極大的優(yōu)勢又不夠成熟之際，如何滿足人們對產品的設計要求，如何同傳統的模具制造工藝進行優(yōu)勢互補、協同發(fā)展。

1 3D打印技術分析

愛因斯坦說過：“想象力遠比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切并推動著進步。想象才是知識進化的源泉。”科技創(chuàng)新帶來了工業(yè)革命，技術創(chuàng)新推動了工業(yè)發(fā)展；發(fā)達國家憑借技術創(chuàng)新的優(yōu)勢成了工業(yè)革命的主力軍，并在前兩次工業(yè)革命中獲取了巨大的經濟利益和世界話語權。

2013年7月21日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平考察東湖高新區(qū)。在光谷展示中心，習近平詳細觀看了光纖通訊、3D打印、生物質能源等創(chuàng)新成果展示；史玉升當天就3D打印技術的研發(fā)和應用向習近平總書記作了報告，事后他還不忘告訴員工：“總書記囑咐我們，這個技術很重要，要抓緊產業(yè)化。”

2012年3月，為重振美國經濟和美國制造，奧巴馬總統提出了建設全美制造業(yè)創(chuàng)新網絡計劃，并將3D打印確定為計劃的方向之一。2012年4月，英國《經濟學人》（The Economist）刊登了一篇名為《第三次工業(yè)革命》的封面文章，認為3D打印將與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業(yè)革命，并稱這是“制造業(yè)未來的趨勢”。

3D打印技術，它顛覆了傳統的模具制造加工工藝（減材制造技術），學術界將3D打印定義為增材制造技術，即快速成型技術的一種；它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

1.1 3D打印的優(yōu)勢

第一，制造復雜物品不增加成本（結構復雜幾乎不影響成本）；第二，產品多樣化不增加成本（創(chuàng)新力的提升，無需開模）；第三，無需組裝（一體化打印）；第四，即時交付（個性化生產，減少庫存）；第五，突破空間限制（增材制造）；第六，零技能制造（只需掌握3D打印機使用方法）；第七，便攜制造（設備集成化較高，對生產地點和空間要求較低，節(jié)約土地資源）；第八，更加環(huán)保（基本沒有工業(yè)垃圾）；第九，材料無限組合（將材料堆積黏合）；第十，精確的實體復制（數字文件保存到現實世界）；第十一，強大的連接功能（無需再次焊接）。3D打印技術采用加法式的整體制造方案，與傳統經典技術相比，3D打印在產品功能、生產效率、制造成本等方面的優(yōu)勢十分顯著，值得進行大力的產業(yè)化推廣，以促使新一輪產業(yè)革命的發(fā)生。此外，3D打印技術勢必會對傳統制造工藝形成沖擊。

1.2 3D打印的局限性

從目前3D打印技術的發(fā)展情況來看，其在打印速度、產品材料性能、打印材料的成本、操作的可訪問性和安全性、成型精度、產品質量、技術研發(fā)、政策規(guī)劃、產業(yè)基地以及人才支撐等方面還存在一系列問題，這些問題制約了3D打印技術的快速發(fā)展。具體表現：第一，加工速度慢；第二，耗材受限；第三，打印對象受限制；第四，單個成本高；第五，精度較差；第六，產品質量較差；第七，缺乏宏觀的政策支持；第八，技術研發(fā)投入不足；第九，產業(yè)配套體系不全；第十，產業(yè)技術培訓不足。由此說明3D打印技術無論是從技術層面還是政策支持層面都尚未發(fā)育成熟，這也是3D打印技術在短時間內無法取代傳統制造工藝的根本原因。

2 傳統模具的局限性

在3D打印技術誕生之前，世界各地加工制造業(yè)都是以模具為生產主力。其優(yōu)勢體現在模具耐磨損而且經濟實惠，大部分模具都采用鋼制，有些甚至采集硬質合金制造，以傳統注塑和沖壓產品為主。制造時用建模軟件，如PRO-E將模具圖繪制出來，經過不斷調整達到最終達成效果，并根據用戶實際需求確認強度，不但精度較高，而且生產時間較為快速。但是，它的局限性也不容樂觀，最突出的問題就是模具開發(fā)技術高、難度大。此外，根據加工產品的外觀，模具開發(fā)難度也不同，越復雜的產品，開發(fā)費用越高，開模時間越長，加工成本也會有所增加；如果待加工的產品過于復雜，模具加工恐怕就難以實現，這在一定程度上制約了創(chuàng)新的生長。在科學技術飛速發(fā)展的今天，我們使用的物品勢必會越來越便捷，在這便捷的背后是處理集成更加復雜的模塊，模具顯然不符合時代發(fā)展的要求。加上市場風險的影響，模具加工要進行數以萬計的產品制造，才會降低產品的成本，因此，企業(yè)就要承擔高額的損失風險。

3 3D打印與傳統模具的未來

將市場風險降到最低，是我們一直以來努力的方向。新技術的發(fā)展總是要在實踐中摸索前進，在這樣一個革新的時代，未來的制造業(yè)會是以傳統模具和3D打印協同發(fā)展，兩種技術通過優(yōu)勢互補，互相融合的局面。對中小型企業(yè)而言，摸清市場規(guī)律，了解消費者個人需求，是其發(fā)展企業(yè)規(guī)模的關鍵因素。受到企業(yè)規(guī)模的限制，中小型企業(yè)在初期不可能通過擴大產品數量來降低生產成本，因此其面臨著成本過高的生存問題。因為3D打印技術不但可以自由加工任意曲面的產品，還可以縮短企業(yè)的產品研發(fā)周期，他們可以在通過3D打印技術，根據消費者喜好自行打印產品，觀察市場動態(tài)，后期則可選擇是否通過大批量生產以達到發(fā)展公司規(guī)模的目的。模具開發(fā)技術高、難度大的問題也可以通過3D打印技術解決，這樣既解決了3D打印目前不適合大批量生產的情況，又降低了市場風險，兩種技術的優(yōu)勢互補、相互合作是符合時代發(fā)展的要求的。

4 結語

任何一項創(chuàng)新都是想象力的結晶，科學發(fā)現如此，技術發(fā)明如此，更重要的商業(yè)化應用亦如此。3D打印的出現很大程度上打開了我國創(chuàng)新的大門，工業(yè)設計的局限性得以突破。一個國家的工業(yè)設計水平代表的是這個國家工業(yè)的先進程度，因此，通過3D打印激發(fā)想象力，通過3D打印與模具制造的協同發(fā)展完善彼此，沒有誰取代誰，只有優(yōu)勢互補、融合，才能推動時代的發(fā)展、科學的進步。

參考文獻：

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