#会员空间#3D打印技术在工业设计中的应用
3D 打印是制造技术的原理创新，随着技术的愈发成熟，在为制造业带来新一轮革命的同时，也为研发、设计特别是工业设计，提供和发挥了强有力的技术支撑和引领作用。
一、3D 打印带给工业设计全新的体验
工业设计，它以工业产品造型设计为核心，融合了科技、文化、艺术与经济等多门类学科，服务于企业的原始创新，集成创新和引进吸收再创新的全过程，是工业化、信息化时代一项系统性、集成性、创造性的设计活动。
同时，工业设计更是“形”和结构的艺术，是物质实体性的立体三维设计。在设计展开的不同阶段, 设计师们必须辅以制作各种立体模型（俗称手板，即在开模具和生产之前，根据产品外观图纸或结构图纸做出的功能样板，用来检查外观、结构和人机的合理性），对创意概念设计方案进行不断的检测、调整和修改，为产品定型量产提供充足的依据，模型对于工业设计是至关重要的。传统的模型和样机制作是由“工匠”来完成的，“工匠”们技艺水平的高低，决定了模型样机的制作精度和速度。
3D打印技术出现在上世纪九十年代中期，这项被称为“快速成型”的技术，摆脱了传统机械加工中“去除材料”的方式, 采用“材料堆积”的方法, 使加工对象不受复杂程度的限制,使平面生成立体的过程变得简单易行，这对于追求“形”和结构艺术的工业设计来讲至关重要。具体而言：
（一）设计和制作协同工作
“工匠”们的模型样机制作和设计师的外观设计、工程师的结构设计的工作方式，决定了设计中每个模块都是独立的，这意味着传统的设计、制造、材料、采购、维护等不同环节、组织和人员要前后衔接得当，专业间需要反复的协调和修改。然而专业复杂、环节较多、周期较长的现实常常让不同部门的意见难以统一和协调，返工、拖延工期的现象时有发生。如果应用3D 打印技术，使得创意、设计、工程分析、制造和服务融为一体，共享同一个数据平台，实时反馈各方的意见，实现设计与制造无缝对接、协同工作。
（二）提高设计制造精度
“工匠”们技艺水平的高低，决定了模型样机的制作精度，但是不管“工匠”们技艺水平多么高超，都无法保证模型在概念设计的一致性、制作精度、复杂程度等方面满足需要，内部结构的制作几乎无法实现。因此，对于任何一位手板师傅来说，要制作一个逼真的模型都不是件轻而易举的事情。相较于传统手工制造的模型样机表面质量不高，产品外观逼真程度较差，可装配性不强等弊端，3D打印能够代替“工匠”的劳动，使得模型变得更合理、更精密，更符合实际的需要。因为3D打印的数字化、智能化加工，可以制作出能够经受严格测试、具备优良特性的模型，保证了设计、样机和产品的一致性。
（三）缩短设计研发周期
以往的产品设计开发周期较为漫长，一个产品在投入正式的生产之前都必须经过严格的审查和鉴定，还要涉及到产品成本、投入、生产工艺条件的限制、产品量控制等众多因素。例如，1996年设计开发的“牙科综合治疗机”（图1），模型与样机制作、评审历时将近4个月，占整个产品开发周期的42%。而3D打印技术可以提供制造样件, 简化消化图纸的时间,在几天或几周内将概念设计转化成模型样件，修改细节时只需要在电脑上完成，从而对处于设计阶段的产品做出快速评价、修改及功能试验，极大的缩短试制周期和生产成本。
（四）复杂模型的直接制造
利用3D打印机制作出来的模具几乎不受零件的形状和结构的任何约束，尤其在加工复杂曲面时更显其优越的性能，设计师只要在电脑上完成产品设计（CAD）, 并编写好加工流程,计算机与数控设备将一道自动完成造型过程。而且随着3D打印技术的发展,可用于制造的原型材料日渐丰富, 性能也日趋完善, 一些非金属快速原型已有较好的机械强度和热稳定性,可以直接用作模具或是生产成品。图2为美国弗吉尼亚大学两位学生通过3D打印技术制造出的一架模型飞机，并成功试飞。他们的飞机翼展达6.5英寸(约2米)，所有零部件都是通过3D打印机制造出来的。这是目前第三架成功试飞的利用3D打印技术制造的模型飞机。
（五）逆向设计的充分运用
逆向工程技术采用了3D扫描和3D打印技术相结合的方式，实现了产品的快速制造。它将已有实物（油泥）模型通过三维扫描技术测得模型表面的点云数据，经过曲面重构造型软件获得实物模型的3D数字模型，用于后续的计算机辅助分析与制造。
一是即可以快速的复制实物, 也能够放大、缩小及修改实物模型, 并且可以对已有模具进行创新设计。例如，我们在2001年制作的转基因牛模型，是由雕塑家完成的艺术创作，而今天，好莱坞电影《Skyfall》里面的阿斯顿-马丁DB5豪车就是3D打印的模型。图3即为电影中那辆经常露面的豪车，它是1960阿斯顿-马丁DB5的1：3模型。为了能够让电影打斗动作更加逼真，3D打印可谓是最佳选择，同时也避免真车上阵不小心被刮伤的危险。
二是可以方便地对3D打印技术本身制得的原型产品进行快速、准确的测量, 用以验证由三维CAD设计而制得的零件与原设计的吻合程度, 改进产品设计中的不足,使产品更加完善。图4为明基最新推出的一款灵动狐MX100鼠标，它的外壳采用了抛光设计，晶莹光滑且富有质感。鼠标按键为左右对称设计，即使是左手用户也能轻松适应。鼠标体积中等，结合了亚洲人手型和使用习惯，设计过程中采用了“逆向工程”技术，产品可以有效防止“鼠标手”的出现。
三是对于进口模具，模具的3D数字模型可能无法获取，或因使用年限较长，模具在使用过程中由于损坏、修改等原因, 需要进行型面的烧焊再由钳工修补, 然而修补后的模具质量往往并不理想，这时可借助逆向工程对磨损区域的识别与恢复功能，重构模具的3D数字模型，以提高制模、修模的效率和质量。同时，许多受损文物，利用逆向工程能够有效的将残缺部分还原。
（六）启迪概念创新设计
随着经济的发展，大众需求的多元化、个性化和小批量、多品种已经成为现代消费的发展趋势，从高级定制服装、饰品、家具，到汽车、游艇等等各个领域。3D打印的应用，一方面设计师现在可以尽情的拓展想象空间，把在虚拟世界中创造“作品”带到现实生活中进行修改、完善和再创新，将设计图纸快速成型使之具象化。通过3D打印提供的实体模型不仅充分调动设计师的想象力与创造力, 也有助于检验消费者对产品的兴趣与认可度。从长远来看, 这对设计师审美品位、设计能力的不断提升大有裨益。图5为伦敦设计师Ron Arad（朗·阿列德）在2013米兰国际家具展上展示的3D打印眼镜，这是他为自己眼镜品牌「Pq」设计的Springs系列。该系列3D打印眼镜一共包括七款，颜色和造型各异，每款都以伦敦地铁北线的站点命名。
为一辆经过3D打印的新型汽车。它有像鼠标一样的外形，三个轮子，混合动力，非常的个性化。并且这是一款可以行驶的汽车，车体大部分部件是“3D打印”出来的，除发动机和底盘是金属，用传统工艺生产外，其余大部分材料都是塑料，整个汽车的重量为1200磅（0.5吨）。
另一方面，随着3D打印能力的不断进步，消费者将不再是产品被动的接受者，他们甚至可以成为“设计师”兼“工程师”，在家亲自动手生产专属自己的物品。除此之外，几乎所有的产品均可打上消费者个性化的印记,生产商只需要提供一个平台，消费者就能够依据个人的喜好对产品进行设计。产品对消费者而言将不再是一成不变、大同小异的旧面孔, 每个消费者手中的产品都可以变得独一无二和与众不同。Shapeways是一家总部位于荷兰的创新制造公司，它利用3D打印技术为客户定制他们设计的各种产品，包括艺术品、首饰、iPhone手机壳、小饰品、玩具、杯子，还为客户提供了销售其创意产品的网络平台。图7为个性十足的手机外壳，图8是一只融入创新元素的开瓶器。
二、技术应用存在的问题和前景展望
（一）现存问题
一是3D打印的耗材多为塑料、石膏、尼龙、光敏树脂等，手板样机制作在刚度、强度、韧性等方面，还不能完全满足设计要求。
2.二是3D打印的精度有待进一步提高，特别是与CNC的制作精度相比仍有较大的差距。
3三是3D打印机购置和耗材费用高，国产化率低，很多还需依赖进口，给其进一步推广应用带来难度。
（二）北京推动应用情况
第一阶段（1995年-1998年）：
1995年，北京工业设计促进中心成立，致力于推动工业设计的应用与发展。
1996年，中心实施“牙科综合治疗仪”等50个工业设计政府示范项目。
1997年，中心成功举办“中国艺术大展—中国当代艺术设计展”；与联想集团合作设计“天琴”、“天秤”、“问天”三款家用电脑，获香港国际工业设计大奖。
1998年，中心举办香港“国际工业设计巡讲”，为企业导入设计理念；组织实施“城市信息化环星查询机”等政府示范项目。
第二阶段（1999年至今）：
1999年,中心引入了第一台3D打印机,为工业设计提供模型样机示范服务。承担了中华人民共和国成立５０周年庆祝活动科教方阵彩车的创意、设计、制作和组织工作。
2001年，中心参加国家科技部“CAD应用工程”展览。
2003年开始，中心在每年的北京科技产业博览会上推介“3D打印”技术。
2005年，北京DRC工业设计创意产业基地建立以“3D打印”技术为核心的科技条件平台，为工业设计提供技术支撑。
2010年，“3D打印”快速成型技术服务联盟成立，联盟以3D打印技术为核心，由设备制造商、代理商、研发机构、技术服务商、应用培训机构五大类联盟成员组成，被北京市科委给予“首都科技条件平台工业设计领域平台”科技专项支持。
2011年，中心建立了以企业为运营主体的3D打印线上服务网（叁迪网）。次年9月上线运行，设有3D打印、3D创作、个性化定制、3D商城、3D设计师、社区几大板块。
2013年，中心帮助企业建立3D打印体验馆，普及和推广3D打印技术知识与应用。
（三）前景展望
从3D打印技术的发展情况看，据相关数据统计，3D打印技术自诞生以来，在世界范围内，其设备制造与服务平均年增长率为27%。2011年全球打印技术的销售额为17.14亿美元，年增长率为29.1%；2010年中国占全球市场份额的6.5%，2011年占8.6%。在市场规模来看，目前全球3D打印市场规模在13亿元左右，中国包括设备、耗材和服务在内，为3亿元人民币。据预测，到2020年全球3D打印市场规模将增长到52亿美元。
从工业设计和设计创意产业为 3D打印提供的支撑上看，3D打印技术的应用前景乐观。据不完全统计，我国已有各类设计公司达两万多家，工业设计协会20多个。全国现有设计艺术类院校共计1400多所，每年毕业生达48万人。其中，开设工业设计专业的本科类院校已有400多所，有硕士学位授予的院校增至230所。我国已当之无愧为全球规模最大的设计教育大国。
北京是3D打印技术发展和壮大的主战场。北京市专业从事设计活动人员总数近20万人，设置工业设计专业的各类院校共46所。2011年，我市已拥有设计类公司万余家，其中工业设计企业860多家，设计产业（规模以上企业）收入达到1000多亿元，企业利润总额近140亿元。同时，北京的“精机工程”支持包括以3D打印技术为核心的开发、应用和服务。
毫无疑问，工业设计和设计产业的发展，为3D 打印的应用与推广提供了广阔市场，同时，3D 打印时代的到来，也为工业设计和设计产业的发展提供了强大的科技引擎，为创意注入了新的活力，让越来越多怀揣梦想的设计师们，实现他们的“中国梦”。衷心祝愿3D打印技术蓬勃发展！
来源：网络
