論3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)中的應(yīng)用前景及未來影響

張馳，高歆妍

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

0 引言

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它用塑料、粉狀金屬等材料以逐層堆積的方式制造出物品，區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造”，是一種新興的快速成形技術(shù)。3D打印技術(shù)自從20世紀90年代出現(xiàn)以來就備受各國、各領(lǐng)域的重視，尤其是在以制造業(yè)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)。

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，隨著3D打印技術(shù)精度、速度飛快進步的同時，該技術(shù)依托于互聯(lián)網(wǎng)，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變革，這種變革也隨著不斷涌現(xiàn)的新型產(chǎn)品深切地融入了我們的生活。

針對產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)來說，3D打印技術(shù)優(yōu)化了產(chǎn)品的整體開發(fā)流程，使設(shè)計過程更加平行化。該技術(shù)滿足了新時代產(chǎn)品設(shè)計師思想以及精神上的需求，突破了傳統(tǒng)加工方式的諸多限制。3D打印技術(shù)也在一定程度上改變了產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)在社會中的運作方式，使其變得更具有社會性、大眾化。

在國內(nèi)，也有一些學(xué)者針對3D打印技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)的影響進行了研究與探討，比如：來自南昌大學(xué)的肖麗等人以老年人的心理、生理需求為基礎(chǔ)，以適老化居家產(chǎn)品的開放設(shè)計為媒介，與3D打印技術(shù)結(jié)合起來，最終研究出一套新的基于3D打印技術(shù)的老年人產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)；來自湖北工業(yè)大學(xué)的王欣等人也基于現(xiàn)實產(chǎn)品對不同類型三維數(shù)字化模型進行了造型工藝合理性的研究，并根據(jù)FDM型3D打印機的特性提出了不同支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案。以上研究均給3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)中的應(yīng)用提供了非常有益的幫助。

1 產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)對3D打印技術(shù)的需求

1.1 設(shè)計思想上的需求

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)主要是受工業(yè)革命以來大規(guī)模、大批量生產(chǎn)的制造方式以及包豪斯等一批先進的設(shè)計教育組織、設(shè)計團體所倡導(dǎo)的簡約功能主義思想所影響，這導(dǎo)致產(chǎn)品在適應(yīng)機械化生產(chǎn)的過程中，往往會降低產(chǎn)品自身的個性，最終導(dǎo)致產(chǎn)品之間的差異性越來越小。設(shè)計往往是互通的，在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域剛一收到簡約功能主義影響時，這股設(shè)計潮流便很快延伸到建筑行業(yè)中去。所以這也導(dǎo)致從十九世紀末到當代時期，世界各地的城市天際線，建筑風格變的越來越統(tǒng)一，也越來越缺乏個性。在各地區(qū)、各民族的個性趨同的背景下，人們個性化表達的要求越來越強烈，人們對地區(qū)和民族文化的多樣性進行發(fā)掘運用的欲望也越來越濃烈[1]。

在這種情況下，傳統(tǒng)的制造方式在某種程度上已經(jīng)不適合人們個性化的需要。而以3D模型為基礎(chǔ)，通過自下而上逐層加工的3D打印技術(shù)則可以使人們對個性化設(shè)計的訴求成為現(xiàn)實。最突出的例子就是在各大電商平臺上爆火的“3D打印工坊”，此種工坊的運營理念就是以3D模型為基礎(chǔ)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念和發(fā)達的物流系統(tǒng)結(jié)合而引起的云創(chuàng)意、云設(shè)計、云制造、云銷售為思想指導(dǎo)，以3D打印技術(shù)為依托，根據(jù)用戶不同的需求來進行個性化的定制。這種以C2C（Consumer To Consumer）模式運營的3D網(wǎng)上打印平臺，不僅可以滿足人們個性化的要求，而且也可以有效利用目前網(wǎng)上現(xiàn)有的一些無人問津的3D模型資源，并將其與用戶層進行有效整合，釋放出更大的經(jīng)濟效益。

文化具有多樣性、民族性、豐富性，文化的基本特性保證了社會中人們都是個性化的。因此，隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代社會流通的產(chǎn)品也將緩步從大機械化、大規(guī)模生產(chǎn)方式生產(chǎn)出的萬人一式的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)楦觽€性化的、小規(guī)模定制的、以3D打印制造技術(shù)為驅(qū)動力的一人一式，甚至是一人多式的產(chǎn)品。

1.2 設(shè)計流程上的需求

相對于傳統(tǒng)的制造方式，3D打印技術(shù)在空間上和時間上更加具有靈活性，增材制造的加工方式和傳統(tǒng)的以車、銑、刨、磨為基礎(chǔ)的機加工比起也是大相徑庭，所以3D打印技術(shù)不僅可以為產(chǎn)品的造型帶來更多可能性，也可以與產(chǎn)品開發(fā)過程中各設(shè)計流程相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計方法、設(shè)計步驟，使設(shè)計時各流程變得更加平行化，從而可以使企業(yè)以最快速度和最低資源消耗獲得及時的市場反饋，占據(jù)大量用戶資源。所以研究產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的各個流程與3D打印技術(shù)結(jié)合的方法是非常具有戰(zhàn)略意義的[2]。

1.2.1 概念設(shè)計階段——使設(shè)計者進行更有效率的迭代設(shè)計

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計師在進行充分的市場調(diào)研后，會將自己一系列的設(shè)計方案呈現(xiàn)在二維圖紙上，然后根據(jù)最終選擇的產(chǎn)品設(shè)計方案去制作木塑件或油泥模型，進而通過油泥模型進行產(chǎn)品的設(shè)計評價，在設(shè)計評價基礎(chǔ)上再進行產(chǎn)品的迭代設(shè)計，設(shè)計者為了達到更高的設(shè)計標準，產(chǎn)品經(jīng)常要進行多次迭代，在這個過程中，設(shè)計者不僅要付出大量的時間和精力去更改產(chǎn)品的樣板件，而且因為產(chǎn)品樣板件的材料、精度、質(zhì)感、觸感等與預(yù)先設(shè)置的產(chǎn)品概念有較大的出入，所以設(shè)計者之間針對產(chǎn)品設(shè)計想法的有效交流往往被現(xiàn)有模型條件限制住了。因此，產(chǎn)品手制樣板件的缺陷會直接影響產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計的實現(xiàn)。

而3D打印技術(shù)的特性可以有效的解決設(shè)計者在迭代設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題。首先，3D打印機的制作精度高、靈活性強，它可以在保證精度的情況下快速制造出產(chǎn)品的模型樣件，這極大地減少了設(shè)計者在制作產(chǎn)品樣板件時花費的大量時間和精力。其次，3D打印機具有材料多元性，而且它使用自下而上逐層打印的方式，基本可以無視產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，這使設(shè)計者可以針對產(chǎn)品的樣板件進行多角度測評，從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)再到觸感、精度，3D打印機都可以全方位的提供給設(shè)計者，使設(shè)計者進行更有效率的迭代設(shè)計。

1.2.2 產(chǎn)品工程測評階段——使產(chǎn)品功能原型件的測評結(jié)果更加真實

一些產(chǎn)品在設(shè)計過程中總要對模型產(chǎn)品進行不斷的靜、動力學(xué)實驗、結(jié)構(gòu)干涉檢查、人機工程測評、機械性能實驗等工程測試和性能評價，以免投產(chǎn)后人們使用過程中出現(xiàn)因工程質(zhì)量引發(fā)的危害，從而造成嚴重的人員、經(jīng)濟損失。

在傳統(tǒng)制造業(yè)，工程測評過程往往使用軟件或者產(chǎn)品手制模型，但因為大多數(shù)理型的模擬材料與實際生產(chǎn)時所使用的材料存在較大差異，所以導(dǎo)致虛擬模型模擬出來的效果總是帶有一定的偏差，而使用合適的3D打印技術(shù)就可以根據(jù)產(chǎn)品在設(shè)計階段時的預(yù)估材料生產(chǎn)出產(chǎn)品的模型樣件，例如：使用SLS工藝可以使用金屬粉末加工出強度較高的模型樣件，而FDM工藝則可使用PVC或ABS材料生產(chǎn)出塑料質(zhì)感的產(chǎn)品。使用實體的產(chǎn)品樣件就可以在工程測評過程中對各類數(shù)據(jù)產(chǎn)生更加直觀的反饋，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，規(guī)避產(chǎn)品因測評數(shù)據(jù)錯誤產(chǎn)生的問題，提高產(chǎn)品生產(chǎn)成功率，并方便設(shè)計師針對問題進行進一步地修改。

1.2.3 產(chǎn)品批量生產(chǎn)階段——根據(jù)市場進行最后的產(chǎn)品自檢

一款產(chǎn)品的命運是由市場決定的，公司的利潤也是由顧客和產(chǎn)品質(zhì)量來決定的，在當今多數(shù)公司都以TQM（Total Quality Management）戰(zhàn)略來進行市場份額的搶占過程中，以顧客為中心、以產(chǎn)品質(zhì)量為驅(qū)動已經(jīng)成為市場競爭的第一要務(wù)，而依靠于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品快速原型制造工藝則可以大大優(yōu)化TQM戰(zhàn)略中PDCA循環(huán)中D(Do)階段和C（Check）階段流程。

在傳統(tǒng)制造業(yè)中，當一件產(chǎn)品設(shè)計完成后，產(chǎn)品就該走到了模具開發(fā)階段。但是模具的開發(fā)動輒數(shù)十上百萬，而且往往還會面臨著因為產(chǎn)品不符合市場需求，需要對原型產(chǎn)品進行改型設(shè)計，從而導(dǎo)致開模不當造成嚴重經(jīng)濟損失的風險。而3D打印技術(shù)的到來，使設(shè)計師可以先利用3D打印技術(shù)小批量打印出產(chǎn)品的工裝模具或者是注塑模具，然后小批量生產(chǎn)，進行市場調(diào)研，使企業(yè)在C階段可以更早、更全面的發(fā)現(xiàn)問題，最后在市場認可的情況下進行開模制造，這可以使公司損失降到最低，并且也可以為后續(xù)的A階段打下良好基礎(chǔ)，使企業(yè)在經(jīng)濟損失最小情況下發(fā)現(xiàn)更多產(chǎn)品優(yōu)化方案。

1.2.4 平行化設(shè)計

設(shè)計平行化是指，在設(shè)計過程中，多個設(shè)計流程可以并行進行，在傳統(tǒng)的正向設(shè)計中，設(shè)計流程往往缺少靈活性，它是從產(chǎn)品概念到產(chǎn)品的CAD模型，再到產(chǎn)品檢測和加工生產(chǎn)的過程，是一種較為傳統(tǒng)的串行工程。而在三維打印技術(shù)地幫助下，可以使傳統(tǒng)的以串行工程為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計方法，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮殪`活、更適合產(chǎn)品開發(fā)、以并行工程為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。

在以并行工程為基礎(chǔ)的產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計師可以在原型產(chǎn)品CAD模型的基礎(chǔ)上做改動，不斷進行改型設(shè)計，快速生產(chǎn)出一系列的樣板件。這時，產(chǎn)品設(shè)計師就可以根據(jù)需求不斷地對產(chǎn)品進行檢測、迭代設(shè)計，在平行化設(shè)計的過程中產(chǎn)品設(shè)計師可以更快速、更全面地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)的時間和資源。

1.3 設(shè)計造型上的需求

增材技術(shù)的發(fā)展不僅突破了傳統(tǒng)工業(yè)大規(guī)模、大機械化生產(chǎn)的限制，由于它自上而下逐層加工的特性，所以這種技術(shù)可以無視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多樣性，直接生產(chǎn)出各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，真正達到自由制造——即可以制造出任何的三維物體。3D打印技術(shù)帶來的自由制造特性也給設(shè)計行業(yè)打開了新的大門，設(shè)計者在創(chuàng)造過程中可以把更多精力集中于產(chǎn)品的造型、用戶的體驗上，從而較少受到產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、加工方式的限制，使設(shè)計師能夠進行更加自由的設(shè)計創(chuàng)造活動。

圖1 傳統(tǒng)的串行工程開發(fā)模式

圖2 可以和3D打印打印技術(shù)相結(jié)合的并行工程開發(fā)模式

如圖3所示，作者以傳統(tǒng)叉架類結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品零件為例，對其傳統(tǒng)的加工工藝和以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的快速成形加工工藝進行了詳細對比。

圖3 傳統(tǒng)制造工序和3D打印工序的對比

在傳統(tǒng)機械加工制作方法下，針對一組復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零件，設(shè)計師經(jīng)常要考慮它的裝配、加工方法，在加工、裝配等事宜考慮得當后，設(shè)計師才能交給工廠對產(chǎn)品零件進行逐個加工。而如果依靠3D打印技術(shù)增材制造特性，設(shè)計師便可以在身邊快速的、一體化的制造出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，再簡單地去除毛刺后即可使用。

2 3D打印技術(shù)可能對產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)產(chǎn)生的影響

2.1 社會性設(shè)計

3D打印技術(shù)使設(shè)計領(lǐng)域變得更加開放、更加多元。在傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)出的產(chǎn)品中，萬人一式的產(chǎn)品不能滿足每個人的獨立性格要求，所以經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品與消費者需求割裂的現(xiàn)象?，F(xiàn)代很多產(chǎn)品是與消費者的使用場景、使用習(xí)慣不匹配的，而3D打印技術(shù)的推廣，使消費者也擁有了變成設(shè)計師和制造商的機會，消費者在3D打印時代可以自己設(shè)計并且生產(chǎn)出自身需要的生活用品，從而變成“生產(chǎn)消費者”。這種生產(chǎn)與消費地位的轉(zhuǎn)變會使產(chǎn)品更加個性化，更加以人為本。而“生產(chǎn)消費者”這一社會群體的產(chǎn)生，也將使產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)變成一種社會性活動。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，和國家大力倡導(dǎo)的‘互聯(lián)網(wǎng)+’產(chǎn)業(yè)模式的產(chǎn)生，云創(chuàng)意時代已經(jīng)到來，而結(jié)合云創(chuàng)意和具有優(yōu)勢的3D打印技術(shù)，勢必會催生出一種以3D打印技術(shù)為技術(shù)支持的云制造產(chǎn)業(yè)。在云制造、云創(chuàng)意、云銷售的影響下，產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)更將從集約化、小群體性活動轉(zhuǎn)型成為社會性的大眾活動。

2.2 設(shè)計教育

目前已經(jīng)有一些國家和地區(qū)將3D打印技術(shù)推廣到了基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，例如在中國上海市靜安區(qū)的青少年活動中心就配備了一些3D打印機，供學(xué)生們使用，打印學(xué)生自己設(shè)計出來的物品。

目前國內(nèi)也有一些高職院校開設(shè)了3D打印課程，這些院校主要目的都是為了增強學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新創(chuàng)造思維。這些課程也在一定程度上推動了3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)上的發(fā)展。但是這些課程也存在著一定的問題，比如課程總體缺乏系統(tǒng)性，而且實訓(xùn)課程的評價方式、學(xué)生運用 3D技術(shù)創(chuàng)新的能力較弱等等。不過隨著老師和學(xué)生素質(zhì)的提高，相信3D打印課程以后一定會成為設(shè)計教育的必要一環(huán)[3-4]。

2.3 獨立設(shè)計

當設(shè)計在一定程度上擺脫傳統(tǒng)加工方式的限制后，傳統(tǒng)加工制造商與小群體的專業(yè)設(shè)計師之間利益關(guān)系將被淡化，同時設(shè)計行業(yè)也會出現(xiàn)更多的獨立設(shè)計品牌與獨立設(shè)計師，他們會通過更加個性化、更加富有獨特風格的設(shè)計來引導(dǎo)消費者的美學(xué)感受、行為活動，他們也可以通過更加發(fā)達的物流網(wǎng)絡(luò)對自己設(shè)計的產(chǎn)品進行“云銷售”，由于獨立設(shè)計在生產(chǎn)方式和生產(chǎn)時間上的自由性，設(shè)計師很容易就可以實現(xiàn)“零庫存”，從而避免生產(chǎn)或者交易風險的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

3D打印技術(shù)已經(jīng)對產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)起到了重要的影響。在設(shè)計方法上，3D打印技術(shù)已在一定程度上變革了產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)小群體、集約化的工作方法，為社會性設(shè)計的發(fā)展打開了大門。在設(shè)計流程上，3D打印技術(shù)為平行設(shè)計的發(fā)展提供了途徑，該技術(shù)的發(fā)展極大減少了設(shè)計過程中時間、資源的浪費。在設(shè)計造型以及設(shè)計結(jié)構(gòu)上，3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)工業(yè)加工方式的限制，使設(shè)計師可以更專注于產(chǎn)品視覺和人機工程學(xué)上面的效果。在設(shè)計教育上，3D打印技術(shù)課程的開展提高了我國未來設(shè)計師的整體素質(zhì)，這就為我國設(shè)計行業(yè)整體水平的提高打下了基礎(chǔ)，使我國從制造大國向創(chuàng)造大國的轉(zhuǎn)變更近一步。