計算機輔助工業設計與3D打印技術初探

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，我國涌現出了許多新型專業工具，計算機輔助工業設計就是其中的一種。這一工具產生至今，被各大高校以及各行各業廣泛使用，促進工業生產向更精細化的方向發展。伴隨著計算機輔助工藝的不斷創新和發展，3D打印技術出現，給工業設計領域的各個行業帶來了新的機遇。它突破了以往工業設計中誤差高、資源浪費的局限性，結合計算機輔助工業設計應用到工業生產中。但我國的3D打印技術起步較晚，在實踐過程中還存在一系列的問題，需要引起人們的重視，不斷推進技術改進，使其適應行業的發展需求。本文主要對計算機輔助工業設計與3D打印技術進行分析，促進它們之間更好地結合。

關鍵詞：3D打印技術;計算機輔助工業設計;概念;結合

我國工業設計從產生至今已經有100多年的歷史，從單個產品設計到后來對產品的整個周期進行設計，這一發展過程見證了各種各樣設計技術的出現。我國在改革開放以后，工業生產才有了進一步的發展，各種技術才相對成熟起來，并應用計算機技術，參與設計、生產、制造等各個環節。計算機技術的應用使我國的工業設計越來越蓬勃，3D打印技術也隨之產生并在2010年趨于成熟，逐漸運用到工業設計中，取得了較好的成就，極大地縮短了設計周期。從此我國對3D打印技術和工業設計領域的結合進行研究，旨在制定更為高效的設計方法，促進工業設計不斷發展。

1 計算機輔助工業設計概念

計算機輔助工業設計又叫CAID，它是在CAD的基礎上發展而來，主要針對的是創造性的工業設計，旨在提高方案的可靠性和科學性。CAID系統主要與互聯網、硬件、軟件、存儲、通信等技術相結合，融合計算機與工業設計的特點，在傳統的工業設計的基礎上進行改造，在設計方法、質量、效率上都有了很大的提高。[1]計算機輔助工業設計也是一門學科，被各大專科學校以及高等院校列入專業教學，成為一門專業基礎學科。在學科安排中，需要學生掌握基本的CAD技術、多媒體技術、模糊技術、人工智能技術、虛擬現實技術等。[2]

CAID系統的主要內容有數字化裝配、數字化建模、數字化制造等。其中數字化建模是指設計者在設計之前先安排一些圖形模塊便于后續建模，在建模過程中，設計者可以改變圖形的尺寸，任意一個圖形尺寸的改變都會影響其他圖形甚至產生新的圖形，這樣能夠充分發揮設計者的創造力;數字化信息交換是指利用信息化網絡平臺，實現資源共享;信息化裝配是指設計者在建模后利用該系統進行預裝配，從而可以直觀地看到自己的建模效果，反饋相關指標信息，有利于及時發現問題并修改;數字化制造是指該系統能夠自動識別模型，安排加工數據、特征、軌跡等，并且能夠很好地預測、分析一些制造工差。[3]

利用計算機輔助工業設計，需要對設計產品進行可視化設計。例如草圖、效果圖、模型圖等，在進行效果圖設計時一般會運用一些構圖軟件，如平面類的Photoshop、Coreldraw，三維類的3Dmax、Rhinoceros等。只有在構建好效果圖之后，才能夠對設計進行進一步的模型規劃，如數據模型的構建需要使用CATIA、Pro/Engineer等軟件，相比傳統的手繪過程有很大優勢，既節省了時間，又能使設計出來的模型更為直觀、精準。[4]我國當前在計算機輔助工業設計軟件的開發上有了很大進步，尤其是在計算機技術高速發展之后，這些軟件更是向智能化的方向不斷發展。設計師的設計理念和構想能夠利用這些軟件較好地呈現出來。此外，這些軟件的學習使用也較為簡單，設計師不用花很長時間去學習軟件操作技術，能夠節省大量精力投入到工業產品的設計中。

2 3D打印技術概念

3D打印技術早在20世紀90年代就已經出現，在當時它主要利用普通打印機的原理，在打印機中加入粉末、塑料等材料，輔以計算機技術，利用逐層打印方法將材料層層疊加起來，最終實現3D打印。這一技術出現后，很多國家紛紛對其進行開發研制，將其應用到航天、建筑、醫學、生物、教育等領域中，利用3D打印制造模型或者零部件并取得了一些成就。

在工業設計領域應用3D打印技術，縮短了開發周期，減少了開發成本。在傳統的工業設計中，我們可以發現在設計圖紙上經常會看見一個手鈑模型，這一模型主要是用來檢測設計是否合理可行，但是這個模型的設計也需要花費大量的時間和金錢。而3D打印技術能夠很好地解決這個問題，它只需一臺3D打印機與打印材料就能夠很快打印出設計好的模型，而且如今3D打印技術的使用越來越廣泛， 3D打印機的價格越來越低，這給企業在工業設計方面提供了較大的便利。

3 計算機輔助工業設計與3D打印技術的結合與提升

3.1 結合設計方法

在3D打印技術未出現之前，我國的工業設計都是依靠手工，這需要設計師花費大量的時間和精力且對設計師的專業要求極高。此外，這方面的技術人才較少，企業需要花重金聘請這些設計師，一旦設計過程中出現問題還需要花費大量時間修改，在一定程度上延長了設計的周期，增加了企業的成本。3D打印技術出現以后，給工業設計領域帶來了重大的轉機，只需要通過程序的輸入編寫，將命令傳達到打印機中，安置好相應的材料，就能實現大規模的生產。例如日本的動漫玩具是3D打印技術和計算機輔助工業設計相結合形成的產物，設計者的任務主要是對動漫人物進行建模，再利用3Dmax、PS等軟件，設計數字模型，最后再將這些數據傳送到3D打印機，擴大產量，極大地縮短了動漫手辦的生產時間，提高了出口產品的輸出量，推動國家經濟發展。計算機輔助工業設計結合3D打印技術有較好的應用反饋，目前已在很多行業廣泛推進使用，提高了國家的工業生產能力，有效地推動了國家發展進步。

3.2 提升空間

理論上，計算機輔助工業設計可以和3D打印技術結合在一起使用，但是在實際操作過程中存在很多問題，有較大的提升空間。第一，3D打印技術針對的是一些特殊領域，其打印所用的材料較為特殊，而計算機輔助工業設計對材料的性能和適用性都有一定的要求。3D打印技術的材料在現階段還不能滿足這些要求，使得計算機輔助工業設計和3D打印技術的協調發展受到限制。對此，應當提高3D打印技術使用材料的性能，不斷提高其適用性。第二，相比3D打印技術，計算機輔助工業設計的發展歷史較長，在具體的設計過程中，還保留著傳統的設計方式，這給3D打印技術的發展帶來了阻礙。基于3D打印技術的設計思路較為領先，與傳統的有很大不同。但是，行業內的從業者不能及時調整自己的工作思路，無法實現3D技術與計算機輔助工業設計的完整結合。第三，我國3D打印技術的發展時間不長，起步較晚，在行業內還沒有建立起較為完善的培養體系。很多從業者缺乏對3D打印技術的了解，理論知識匱乏。企業也沒有幫助他們定期組織培訓學習活動，使得他們在應用3D打印技術時出現差錯，一定程度上制約了行業的發展，不能緊跟時代的步伐。第四，3D打印技術和計算機輔助工業設計的結合需要一定的軟件支持，但是我國當前對這方面軟件的開發不如發達國家，使得這兩者相結合的過程耗時較長，給企業的生產效率帶來影響，不能充分發揮3D打印技術的良好優勢，降低企業經濟效益。

4 結語

3D打印技術與計算機輔助工業設計的結合是時代發展的必然趨勢，它能夠幫助企業降低在開發生產過程中的成本，提高經濟效益，推動國家工業生產技術不斷進步和發展。這兩者的結合給各行各業帶來了更多的挑戰，同時也帶來了機遇，需要企業引起重視，加強對3D打印技術材料的研制，改變傳統的設計思路，在企業中建立完善的培養體系，加強對技術應用軟件的開發，不斷給兩者的結合提供技術、思想、體系支撐，促進兩者向更加完備的方向結合，不斷推進我國工業設計行業發展。

參考文獻：

[1] 孫健，楊青，汪亮亮.解析3D打印技術與計算機輔助工業設計的有機結合[J].通訊世界，2019，26（11）：99-100.

[2] 段偉.計算機輔助工業設計與3D打印技術初探[J].才智，2019（12）：229.

[3] 于秉利.計算機輔助工業設計與3D打印技術初探[J].科普童話，2017（004）：15.

[4] 王嫻雅，蔡倩.基于3D打印技術的工業產品設計預驗證研究[J].工業設計，2019（1）：157-158.

作者簡介：任文蕾（1999—），女，山東濰坊人，山東科技大學藝術與設計學院2017級工業設計專業本科在讀，研究方向：工業設計。