小議3D打印在改型設計中的作用

張鈺糧，高蕾娜，董浩

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小議3D打印在改型設計中的作用

張鈺糧，高蕾娜，董浩

（成都大學，四川 成都 610106）

探討了改型設計在產品開發中的重要作用，與完全創新的產品相比，改型設計具有成本低、效率高等優勢，特別是結合3D打印的改型設計能夠減少由于各種不確定因素帶來的市場風險。分析了幾種常見的改型設計的方法及其與3D打印的關系，另外從產業組織的角度剖析了現階段3D打印對規模制造的影響，為在改型設計中更加有效地融入3D打印提供了理論支撐。

改型設計；3D打印；產品開發

1 改型設計的意義

隨著社會的發展，各類產品的市場競爭也變得越來越激烈，稍微大意研發失敗或市場反饋不佳，就會使企業面臨重大的損失，因此企業在開發新產品時都會變得越來越謹慎。一個產品從概念設計到功能體系的劃分、結構形態的確立、制造方案的擬定，從降低風險的角度出發更需要依靠技術積累與經驗總結，包括大量的產品數據分析、用戶體驗信息反饋及反復的樣品測定評價等[1]。相較于100%的原創設計，改型設計積累了更多的設計和技術經驗，能夠對市場變化做出快速反應，在盈利趨勢難以預測的情況下，選擇穩妥的改型設計能夠充分壓低研發成本，降低產品投放市場失敗的風險，為企業贏得更多的回報與商機[2]。

現代產品的創新是一個將新技術、新功能等轉換為市場動力的系統化工程，這個過程既包括了全新產品的開發，也包括了對老產品的升級換代，改型設計能夠強化產品的系列性，從而進一步鞏固品牌價值，在穩定老用戶的基礎上吸納新用戶，形成一個不斷壯大的客戶群。另外產品創新除了考慮研發成本以外，還要綜合衡量社會因素、周期因素、風險因素、資金因素等各種情況對經濟回報的影響[3]，從新舊產品的市場風險來看，雖然全新產品的開發具有贏得市場認可度高、從中獲取的知識與技術儲備量大等優勢，但卻要面對更多不確定的競爭因素以及實質性優勢被技術迭代減退的風險。對比而言，而在現有技術基礎上對產品進行改型設計是一件風險較低而回報穩定的事情，統計證明多數在功能和造型上完全創新的產品對市場份額的占有遠不如基于成熟技術及品牌口碑上的改型產品。

以德國博世旗下的電動工具來說，整體風格都統一在黑、藍、紅三種色調中，造型主要是簡單幾合體的疊加，少數地方具有弧面和流線感。從圖1中可以看出同一系列中的不同產品都是基于一個形態框架衍生而來，即使變化也是小部分的改動而非面目全非地大改。長期以來通過在已有產品基礎上的不斷改進，為博世贏得了高效的產品開發速度，樹立了良好的品牌形象，吸引了眾多忠實的消費者。

圖1 博世電轉系列產品圖

目前在改型設計中呈現的一個趨勢就是和3D打印結合得越來越緊密了，因為這個過程實現了設計與制造的高度集成，成型過程不需要任何刀具和夾具，擺脫了成本的限制對造型復雜程度的影響。如圖2所示為結合3D打印的手柄改型設計，一方面實物模型能夠提供比數字模型更為可靠的人機測試結果；另一方面與傳統的油泥模型相比，3D打印更方便簡潔，即不但不會弄臟手，而且還會大幅提升制作效率，因為油泥的種類有很多，在調制時與粘接劑的配比不易控制，再者油泥一般都有輕微的毒性，長期近距離接觸肯定對健康有影響。

圖2 3D打印的改型手柄

2 改型設計的方法

2.1 以參數優化為主導的改型設計

一般企業出于對生產條件和設計通用化程度的考慮，很多新產品的研發都是在已有產品基礎上的改型設計，因而具有很強的繼承性和系列化特征。在設計中因為局部調整使得整個產品參數發生變化的情況比比皆是，為了加快設計速度，參數化設計得到了廣泛的應用[4]。在生活中由一體成型就能投入使用的產品并不多見，大多數產品都是由各個部分裝配而成，參數化設計很好的符合了這個特點，它將從零部件開始的自下而上的設計與整體方案捆綁在一起，建立了過程與結果之間的函數關系，只要改變其中之一就能使另外的數據隨之發生變化。結合3D打印來驗證參數化設計，能夠提供比數據模型更為真實可靠的校驗結果，雖然虛擬場景也是依據物理定理編寫出來的模擬程序，可以準確地判斷機構設計的合理性，但是卻無法顧及到材料的力學性能、表面粗糙度以及外界環境的影響等。從嚴謹和保險的角度出發，很多時候必須將實物做出來，相較于傳統的模具制作，3D打印可以充分發揮其成形速度快，仿真能力強等優勢，然后再進行一些后期的加工處理來獲得相應的力學性能、表面精度等，從而更加真實地還原組成產品的各種機構在現實環境中的工作情況。

2.2 以裝配改進為主導的改型設計

對裝配方案進行改進是改型設計中的另一種常見手段，基于現有結構的簡化是裝配改型的重點，同時也是難點。另外將裝配改型與定制化消費結合起來也是當今制造業發展的一個重點，表現在將產品的易損件設計為可以隨時更換和安裝的部份。這一點可以和3D打印緊密結合，信息共享就是其中的一種，廠家可以闡明某零件在以不同材質制造時的受力強度、使用壽命等信息，然后以開源數據模型下載或提供技術指導的方式讓擅長3D打印的用戶獲得更大選擇權[5]，比如張三可以采打印塑料螺釘，而李四可以打印金屬螺釘，雖然前后兩種螺釘在使用壽命上有較大的差異，但是都是從用戶需求出發的裝配改進。目前將產品的核心部件獨立出來作為一個功能單元，而其它部分可以讓用戶自主設計并擁有更大選擇權的產銷模式已經受到廣泛的關注。這一點同樣可以與3D打印緊密聯系起來，以達到某種緊固效果為例，可以采用三種不同的裝配方式，廠家只提供一種緊固零件，而另外兩種緊固零件和裝配方式雖然沒有實物，但是附有說明圖紙，用戶可以根據自己的需求以3D打印來獲得零件。以上所述其實是有關裝配改型中模塊化設計和選擇的問題，將3D打印融入其中，可以有效地擴展模塊化理論的應用范疇，從而為裝配改進提供更多高效高質的改型方式。

2.3 以外觀變化為主導的改型設計

在這里將以外觀變化為主導的改型設計分為兩種，一種是由功能引起的外觀改型，另一種是從美學角度引起的改型。目前將3D打印融入到這兩種外觀改型中都能體現出一定程度的優勢，特別是后者，通過3D打印能夠解決傳統加工技術（減材制造）不能得到的復雜形狀，即無需數控加工就能得到各種型腔曲面。這樣就大幅加強了產品柔性制造的能力，為外觀美學性能的提升增添了更多的彈性選擇[6]。

3 改型設計與3D打印的結合

3.1 3D打印的優勢

目前從3D打印的發展來看，在縮短產品改型設計與再制造的周期，滿足定制化消費需求等方面已經逐步顯現出其有別于大工業生產的獨特優勢。將改型設計與3D打印技術結合不但可以大幅縮短樣品試制周期，另外在降低功能樣件的返工率、檢測產品造型誤差、調式結構件的裝配干涉、進行應力與流動分析等方面都比傳統的制造方法節約很多時間和費用。例如上海泰聯科技有限公司利用3D打印技術為某一汽車股份有限公司新車的前后保險杠進行了沖撞試驗，使用3D打印技術6套保險杠的制造周期僅為40天，費用約為60萬；而使用傳統加工方法制造周期約為6個月，費用高達600萬[7]。

采用傳統制造方法進行工業生產需要的模具一般由成型磨削、鑄造模具、數控銑削等方法來完成，由于這些工藝復雜且耗時長，資金需求大，嚴重影響了產品上市的速度。將3D打印應用到模具加工中可以充分發揮其柔性制造的優勢，打破傳統加工技術的限制，將待成型物理實體的形態及結構難度與成型過程的難度分開，利用降維制造的方式將數字化模型轉變為可以觸摸的實物樣品[4]。另外，針對一些切削加工無法獲得的復雜形態，現在以犀牛（Rhino）為數字平臺的蚱蜢（Grasshopper）可視化節點式編程插件就致力于形態創造的效率問題的解決（復雜形態的繪制與修改在人工操作下都是艱巨而繁瑣的操作），該插件借助程序與邏輯語言的高效性，在制圖過程中將微觀層級的各個要素聯系起來控制宏觀變化，進而使計算機能夠輕松處理微觀層級的海量信息[8]。數字技術已經可以幫助我們將以前難于想象的物態創建出來，而3D打印則能實物化數字模型，在定制化消費需求不斷擴大的今天，怎樣充分發揮3D打印的優勢，彌補傳統制造的不足，是每個設計師都需要思考的問題。

3.2 3D打印與傳統制造技術的關系

機加工主要是指去除成型（Dislodge Forming）和受迫成型（Forced Forming）兩種方式，而以3D打印為代表的“快速成型技術”是在數字化建模、控制軟件、材料工程、機械原理等組成的一個復雜的機電一體化系統上建立起來的[9]。3D打印模型的形成過程是從零開始的“加法”運算，通過將三維實體分解成一片片二維形狀的層疊可以制作出任意復雜的造型及結構，突破了“減材制造”技術針對不規則復雜幾何造型無法加工、難以加工或開模具成本非常高昂等技術瓶頸[10]。

隨著制造網絡、信息網絡的不斷發展及個性化消費的快速增漲，有關于3D打印能否徹底顛覆傳統制造的爭論就沒有停息過。其中激進派將3D打印視作1977年個人計算機和1990年網頁瀏覽器一樣，是一個嶄新的市場從萌芽期進入成長期的轉折點[11]。《經濟學人》雜志認為觸發第三次工業革命的關鍵因素就是以3D打印為代表的數字化制造技術，“其將改寫制造業的生產方式，進而改變產業鏈的運作模式”[12]。“如果在金屬材料上得到廣泛應用，3D打印就可能引領新一輪工業革命”[13]。而保守派則認為3D打印沒有實際的盈利空間，只是市場高估的一個泡沫。“大眾化的3D打印機因為材料，質量受限，所以盈利空間小”[14]。“高端機的起價格都在十萬或百萬，材料更是按克算錢，其高成本讓中小型企業難以承受”[15]。“目前核心的3D打印技術還是由政府扶持并且運用在軍事、航空航天、醫藥等領域，工業化的推廣實際上很難”[16]。

雖然就眼下來看，3D打印確實還存在一些亟待突破的技術瓶頸，諸如在速度上不及規模化的大生產；雖然可以減少材料的浪費，但是整體能耗還不夠低；打印金屬、陶瓷等材料的價格太高；材料的適用范圍及成品的物理特性均未擬定出統一的行業標準[17]；后期模型需要進行剝離、打磨、修補、拋光等處理……問題越多，改進的空間多，說明3D打印的發展潛力巨大。不斷革新的生產加工技術必然會同時推動傳統工業生產方式和3D打印的進步，在將來，無論3D打印能否全面替代批量制造并不重要，作為一種先進的制造手段，能夠突顯自己的技術優勢，有針對性的解決實際問題，就達到目的了。

3.3 3D打印對產業組織模式的影響

目前3D打印已經能與規模制造融合并將影響力擴大到生產流程與組織方式上。比如企業可以通過創建公共服務平臺將常用零部件信息掛到網上供用戶下載，用戶再將下載的數據以3D打印轉換為實物，可以根據需要選擇不同的材料，這樣做既省去了維修寄換零件部件帶來的麻煩，也讓部分消費者享受到定制化服務帶來的靈活與便利。再如有的3D打印發燒友將自己的產品設計方案上傳到定制化平臺進行交流共享，以“用戶－企業－用戶”的生產模式創造出更多的就業機會，將密集制造向分散制造引流，從而節約大量資源成本，也把設計與生產推向更加社會化與民主化的境界[9]。

2015年出臺的《國務院關于大力推進大眾創業萬眾創新若干政策實施的意見》明確指出，充分調動億萬群眾的智慧及創造力來推動整個社會的創新發展，對一些資源消耗大、環境破壞嚴重的粗放式生產模式進行結構性調整是勢在必行的改革[18]。我國人力資本的潛在優勢還有待釋放，通過優化產業組織方式可以創造更多的就業機會。基于當前的政策條件，借助3D打印獨特的成型優勢，將創新、體驗與服務共同融入到銷售中，通過信息網絡、制造網絡與物流網絡的互通優勢，拓展與定制消費緊密結合的各種生產服務模式，形成一種社會化的“創造性活動”必然為大勢所趨[19]。具體來講，在改型設計中結合3D打印能夠廣泛集合社會化制造的資源，通過與協同創新、制造網絡一體化等方式的融合，把“個人工廠”納入到整個產業價值鏈中，撇開核心技術，企業可以將很多改型項目委托給個人完成，從而將社會制造積累的人才優勢有效轉化為產品的競爭優勢。

另外對一些定制需求較高而技術門檻較低的產品，除開專利保護節點，用戶可以借助3D打印將自己的審美喜好融入外觀設計中，而企業只需要提供一些指導性的建議，諸如尺寸規范、項目清單、自助打印及裝配指南等。這種通過3D打印將傳統的生產方式轉變為定制化生產的方式一方面為企業在核心技術以外的研發節約了大量成本，另外一方面通過把產品的部分價值以協同開發的方式返還給消費者的方法，既可以促進產品的銷售，獲得更多準確的用戶體驗數據，又可以將部分消費者轉變自主創業者，將以核心技術為驅動的精英設計與自主參與為驅動的大眾設計有效結合起來。

3.4 3D打印與改型設計的結合發展

就以上分析來看，如果要想3D打印在改型設計中發揮更大的作用，應該將重點放在怎樣使3D打印與傳統制造更好地銜接上，使它們相互取長補短。隨著智能化、大數據、云計算逐步成為技術主流，完全可以利用3D打印來淘汰一批污染大、能耗高的規模經濟，并將其朝著分布式協同生產與個性化定制的方向引導[20]。另外，應當加快完善3D打印周邊服務，積極推進互聯網公共服務平臺的打造，面向細分行業提供更多的3D打印培訓，促進創新資源、生產能力、市場需求的集聚與對接，形成面向生產組織全過程的服務信息。要鼓勵企業利用互聯網采集并對接用戶個性消費的需求，為改型設計提供有力的數據支撐，可以開展遠程維護、質量診斷、在線答疑等增值服務，將數據模型處理軟件與打印控制軟件進行一體化開發，只有這樣才能讓更多的用戶感覺到3D打印的魅力。

4 總結

目前在改型設計中融入3D打印已成為企業創造競爭優勢的一項有力抓手，雖然還難以預見它對制造業未來的發展究竟會產生多大的影響，但是從目前的情況來看，在產品開發中3D打印確實可以極大的降低研發成本和縮短研發周期。當前3D打印已經在工業生產配套體系中逐漸展露鋒芒，特別是在傳統制造方式短板的彌補上，在改型設計中融入3D打印就是一個很好例子。當然3D打印也有很多亟待解決的技術難題。在利用3D打印為改型設計服務的過程中，應該綜合成本、開發效率、投資回報、凈利潤等各方面的因素來考慮問題，這樣才能使3D打印更好地為改型設計服務。

[1]晨燕. 協同制造構建制造業網絡化新生態[EB/OL]. http://cyyw.cena.com.cn/2015-07/09/content_284060.htm, 2015-07-09.

[2]楊方. 面向產品質量改進的多目標穩健性設計優化[D]. 青島：青島大學，2010.

[3]朱亞明，陳敏杰，吳榮林. 技術不確定和市場不確定在新產品開發過程中交互作用的期權價值分析[J]. 科技進步與對策，2014，22（4）：99-101.

[4]楊炳輝. 基于參數化技術快速設計系統的研究與應用[D]. 重慶：重慶大學，2008.

[5]陳以増，王斌達. 大數據驅動下顧客參與的產品開發方法研究[J]. 科技進步與對策，2015，32（10）：72-77.

[6]黃靖遠. 優勢設計[M]. 北京：機械工業出版社，1999.

[7]董琪，鐘廈，洪叢華. 對工程機械產品外觀造型設計的研究與剖析（二）[J]. 建設機械技術與管理，2005，18（9）：67-71.

[8]曾旭東，王大川，陳輝. Rhinocerros & Grasshopper參數化建模[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2014.

[9]郭振華，王清君，郭應煥. 3D打印技術與社會制造[J]. 寶雞文理學院學報（自然科學版），2013，33（4）：64-70.

[10]王文濤，劉燕華. 3D打印制造技術發展趨勢及對我國結構轉型的影響[J]. 科技管理研究，2014（6）：29-32，37.

[11] (美)赫德.里普森，麥爾芭.庫日曼.3D打印：從想象到現實[M]. 北京：中信出版社，2013.

[12]姚俊峰. 3D打印理論與應用[M]. 北京：科學出版社，2017.

[13]陳國清. 選擇性激光熔化3D打印技術[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2016.

[14]中國機械工程學會. 3D打印—打印未來[M]. 北京：中國科學技術出版社，2013.

[15] (德)烏爾里希.森德勒. 工業4.0——即將來襲的第四次工業革命[M]. 北京：機械工業出版社出版，2014.

[16]徐光柱. 開源3D打印技術原理及應用[M]. 北京：國防工業出版社，2015.

[17]柳建，殷鳳良，孟凡軍，顧海清. 3D打印再制造目前存在的問題與應對措施[J]. 機械，2014（6）：8-11.

[18]國發〔2015〕32號. 國務院關于大力推進大眾創業萬眾創新若干政策措施的意見[EB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/

2015-06/16/content_9855.htm,2015-06-16.

[19]吳懷宇. 3D打印—三維智能數字化創造[M]. 北京：電子工業出版社，2014.

[20]王雪瑩. 3D打印技術與產業的發展及前景分析[J]. 中國高新技術企業，2012（26）：3-5.

The Role of 3D Printing in Remodeling Design

ZHANG Yuliang，GAO Leina，Dong Hao

( Chengdu University, Chengdu 610106, China )

The paper discusses the important role of remodeling design in product development. Compared with completely innovative products, remodeling design has the advantages of low cost and high efficiency. When combined with 3D printing, it can reduce the market risk caused by uncertain factors. The paper analyzes several common methods of remodeling design and its relationship with 3D printing. In addition, a study of the impact of 3D printing on large-scale manufacturing is conducted from the perspective of industrial organization, which supplies more theoretical support for the integration of 3D printing and the remodeling design.

remodeling design；3D printing；product development

TB472

A

1006－0316 (2018) 04－0067－06

2017－08－02

四川動漫研究中心資助項目（DM201624）；成都學院（成都大學）2017年本科教育教學改革項目——產品專業設計表現課程的優化研究（校級自籌，項目編號106）

張鈺糧（1982－），女，四川成都人，碩士，講師，主要研究方向為工業設計管理、快速制造、優勢設計等；高蕾娜（1985－），女，湖北武漢人，博士，講師，主要研究方向為機電一體化、計算機應用；董浩（1985－），四川成都人，博士，特聘副研究員，主要研究方向為列車動力學性能分析。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.016