3D打印技术对制造业产品设计的影响研究

3D打印技术对制造业产品设计的影响研究作者：蔺薛菲来源：《艺术与设计·理论》2015年第08期摘要：3D打印是一项革命性新型制造技术，正在使传统工业产品设计和生产方式发生变革。

文章首先阐述了3D打印的技术体系和国内外发展现状；深入研究分析3D打印技术对制造业产品设计的影响，并探讨和分析了3D打印时代影响产品设计的关键技术，可为我国3D 打印时代制造业的产品设计提供参考。

关键词：3D打印；制造业；产品设计；设计模式；3D设计检索：中图分类号：J0 文献标志码：A 文章编号：1008-2832（2015）08-0103-033D Printing and its Effects on Product Design in ManufacturingLIN Xue-fei（Department of Design， Hunan Agriculture University， Changsha 410000，China）Abstract ：3D printing is a revolutionary manufacturing technology which pushs the design and production of traditional industrial products change. This paper first describes the 3D printing technology system and the development at home and abroad； Secondly， analysis in-depth effects of 3D printing technology to the manufacturing industry product design ； and then investigate and analyze the effect of 3D print times the key technology of product design.Key words ：3D printing； manufacturing industry； product design； design pattern； 3D designInternet ：一、引言3D打印起源于“快速成型技术”，是在计算机控制下，基于“增材制造”的原理，通过离散材料的分层叠加，完成部件的成形与制造的技术。

与传统产品制造成型过程相比，3D打印可快速实现设计模型向实物的转化，无需机械模具，极少材料浪费，在个性化制造中具有显著的成本和效率优势。

2012年4月英国著名杂志《经济学人》杂志制作专题指出“当今全球范围内工业领域正在经历第三次革命，这次革命是一种建立在互联网和新材料、新能源相结合的工业革命，它以“制造业数字化”为核心，并将使全球技术要素和市场要素配置方式发生革命性变化。

新材料、新工艺、新机器人、新的网络协同制造服务，生产会更加经济、高效、灵活、精简。

3D打印技术是引领未来制造业趋势的众多突破之一，将成为第三次工业革命到来的标志”。

美国著名科技杂志《连线》十月刊封面报道《3D打印机改变世界》指出：“3D打印技术将使单品制造几乎与大规模生产一样便宜，影响堪比当年工厂的出现。

在这种背景下，工业化问题再次成为世界舆论界关注的核心议题之一。

美国同样也提出了“再工业化”的问题，美国经济要转向可持续的增长模式，即出口推动型增长和制造业增长，要让美国回归实体经济，即重振美国制造业。

3D打印是一项革命性新型制造技术，它改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，实现了随时、随地、按不同需要进行生产，是推动现有制造业全面升级的重要因素。

本文以3D打印技术和制造业为背景，重点分析3D打印技术原理和发展现状、3D打印技术对制造业产品设计的影响、面向3D打印的产品设计关键技术等，为我国制造业提供借鉴和参考。

二、3D打印国内外现状3D打印设备在制造业的应用可分为两大类：1.大型企业产品开发设计服务，如波音、通用、福特、戴姆勒·克莱斯勒三大汽车公司、IBM、苹果、丰田等都在应用，以提高产品原型制造效率，缩短产品研发周期；2.采用一台或数台成形机为中心，进行产品设计或实验研究，其服务对象多为大学、研究所和中小企业。

3D打印技术在电子、汽车、航空、工业商用机器、医疗和学术研究等领域已初具规模，并迅速扩张。

目前，在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。

此外，在此领域的国际知名企业还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

3D打印行业巨头正加速崛起，产业化和行业标准也逐步完善。

目前国内3D打印在国内的市场并不大，主要集中于高校和科研机构，如清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学等，企业以北京隆源公司、中航重机激光等。

据Wohlers Associates2012年度报告指出，世界各国生产3D打印设备企业按国别划分，美国72.9%，欧洲10.2%，以色列9.3%，中国3.6%。

我国3D打印技术和设备水平远远落后于欧美国家，与我国巨大的制造业市场形成了鲜明对比，具有巨大的市场潜力。

三、3D信息获取技术模型的三维信息获取是3D打印技术的首要环节，除人工通过3D设计软件进行产品建模外，自然模型、真实环境的借鉴和再现更是设计师创造的艺术源泉。

因此3D信息获取技术是影响3D打印和设计技术的重要组成部分。

近30年来三维测量技术引起了广泛关注并取得了突出进展，开发了多种三维测量仪器或设备。

按传感器测量方式，三维测量系统主要可分为接触类传感器和非接触类。

如图1所示。

接触式测量因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。

根据测量原理，非接触三维测量系统又可主要分为激光三角测量（Laser triangulation）、结构光（Structured Lighting）、立体视觉（Stereovision）、干涉测量（Interferometry）、摩尔条纹法（Moire Fringe）、飞行时间法（Time of flight）、聚焦探测法（shape from focusing），阴影探测法（shape from shadows），运动估计法（shape from motion）等。

相对于接触类传感器，三维非接触光学测量系统具有显著的柔性和自适应性，主要表现在：1.不必做探头半径补偿，例如激光光点位置就是工件表面的位置。

2.测量速度非常快，不必像接触式探头那样逐点进行测量。

3.软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。

因此，广泛应用于工业质量检测、反向工程（reverse engineering）和3D打印等领域。

近5年来，可同时获取场景图像和深度信息的3D摄像机系统面世，并引起了空前关注。

其中Mesa公司推出的SR3000/SR4000三维摄像机可获得场景的灰度图像信息和按像素对应的深度信息，测量距离最远可达10m；微软Kinect三维摄像机可同时获取场景的彩色图像和深度图像，但成像距离较近（1到4m区域）。

3D摄像机目前还存在成像分辨率低、器件尺寸大、成像范围较小、功耗大等缺陷。

三维视觉在环境感知方面的显著特性和巨大应用潜力，引起了世界范围企业巨头和研究机构的普遍关注，如微软在Kinect三维摄像机取得巨大成功后于2013年下半年推出了Kinect 2.0；Apple公司于2013年11月宣布收购PrimeSense三维视觉传感器公司等。

这些研究机构的深入改进研究，极大的降低了三维信息获取的成本，为全民化的3D打印处理提供了可能。

四、3D打印技术对产品设计的影响（一）3D打印降低产品设计成本近年来，各行业巨头逐年提高新产品设计开发投入，并投入巨资进行新产品设计的知识产权保护，以维护自身的产品竞争力和市场地位。

如苹果、三星的产品设计专利大战，究其原因，随着产品复杂化和个性化的发展趋势，新产品的设计成本居高不下。

通常新产品的设计包含了概念模型设计、功能模型设计、成品设计、改进设计等。

上述产品设计过程单一中间产品模型加工和制造成本非常高，复杂产品甚至要求制作专用模具和加工工艺以保证模型的精度和真实效果，因此必然带来高昂的设计成本。

而3D打印技术基于叠加式制造技术，可实现非规模产品的随时、随地、按不同需要进行生产，大幅度降低设计过程成本。

其具体表现在：1.概念模型阶段。

在设计流程早期，利用3D打印技术去构造模型，可实现设计物件的结构、外形和功效的检查，以进行设计的反馈修改。

通过反复构造、检查和优化改进设计，直至设计出最好的概念模型，加速产品开发流程的同时，降低成本。

2.功能原型阶段。

通过3D打印技术制造功能原型可证明设计的合理性，同时进行性能测试和工程评价，便于第一时间找出缺点，避免工程性变更造成的巨大浪费；3.部件集成阶段。

传统产品设计通常涉及多个零部件，需要涉及组装过程，效率低。

而3D打印简化了生产装配流程，通过整体打印，提高装配效率，降低成本；4.样品生产阶段，产品规模化投产之前，小批量样品生产必不可缺，以进一步验证产品性能和有效性，避免规模化之后出现重大设计缺陷产生巨大经济损失。

（图2）（二）3D打印技术加快设计周期随着制造业的飞速发展，同类产品竞争已达到白热化，产品更新周期的缩短是维护竞争优势的必然选择。

而产品设计周期是产品更新周期的瓶颈环节，尤其是产品原型制作消耗相当长时间，是缩短上市时间的最大障碍。

通过3D打印技术可实现设计流程的优化，最大程度降低原型制作时间和制作成本，为企业实现潜在利润的最大化。

（三）3D打印技术提高产品设计可靠性和安全性3D打印可以增加新产品成功的机会，因为有更全面的设计评估和迭代过程。

成功的产品设计需要对很多信息进行复审。

设计团队内部的3D打印机，可以更早地利用他人提供的反馈对概念进行复审。

与工程实施、市场营销和质量控制人员的有效合作可以使设计人员在整个设计过程中不断调整和测试。

通过反复多次对设计进行原型迭代优化，可最大程度上降低产品失败的风险。

此外，面临激烈竞争环境，产品设计过程中必须充分考虑数据的完整性和安全性。

在基于3D打印的设计过程中，与客户之间交流可通过共享机密的STL文件保证安全性，而内部具有3D打印机，则可以进一步消除泄露知识产权的担心。

五、基于3D打印技术的产品设计新模式（一）面向三维空间的一体化设计语言利用强大的计算机软件技术生产高度复杂的设计图，借助3D打印技术将设计图转化为实物是3D打印制造时代的基本模式。

当前主流设计和工艺软件系统基本由国外垄断。