基于3D打印技术的工业产品设计预验证研究

摘要：以寻求一种模式让工业产品设计的预验证工作变得简单有效为目的。通过对产品设计程序与方法的深入调研，运用计算机辅助设计软件创建高度吻合的产品三维数字模型，提出了基于3D打印技术对工业产品设计进行预验证的创新研究方法。结论诵讨对不同类型的3D打印技术和具体过程的分析研究，得出3D打印的优点是材料种类丰富、定型成本低廉、预验证流程简单，适合于产品的外观建模和功能测试。运用3D打印技术对工业产品进行反复调整和测试，可最大程度提高产品设计成功的可能性，加速产品上市的进程。

关键词：3D打印;产品设计;Rhinoceros

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）01-0157-02

预验证是对工业产品设计的外观和功效进行全面综合分析和测试并以三维样型形式对产品用户体验予以评估的过程，是控制产品设计质量的关键环节[1]。产品设计的样型预验证工作质量的好坏，对产品设计研发后能否顺利进行批量生产乃至进入市场后能否满足消费者需求有着重要的影响。通过3D打印技术可优化产品设计流程，加快产品研发周期，降低样型制作时间，为设计师和用户的创造性思维提供无限可能。

1 3D打印概述

3D打印（3D printing）是一种快速成型技术，它是以数字模型文件为基础，运用金属、塑料、陶瓷、光敏树脂、红蓝蜡等可粘合材料，通过成型设备以逐层打印的方式来构造三维物体的技术[2]。3D打印作为数字化时代的重要产物，经过多年的发展，已经形成比较完善的技术体系，应用范围不断拓展，市场规模快速增长。近年来，3D打印技术在工业设计、食品、珠宝、建筑、汽车、航空航天、医学和生物科学、教育、娱乐艺术以及其他领域都有所应用[3]。《2015年世界知识产权报告》3D打印产业将迎来数干亿市场，美国、日本、德国、法国、英国、韩国引领3D打印前沿技术专利申请。在中国，伴随着当前发展智能制造、创建创新型社会的国家战略实施，尤其是《中国制造2025战略》中多次强调指出要培育3D打印产业发展，并将3D打印技术列为我国未来智能制造的重点技术来大力扶持，3D打印技术在中国也将迎来新的发展机遇期[4]。

2 3D打印过程详解

3D打印机的液晶控制面板简单明了易操作，打印时无需连接PC，将待打印产品的三维数字模型用软件划分成几百个或数千个水平层，然后导出成STL文件加载到Wi-Fi、USB或SD卡（取决于什么品牌和类型的3D打印机）中即插即用。3D打印机会读取三维数字模型的每一层切片，实体产品就可以被一层一层地打印出来。打印区内置LED灯，通过改变输入电压可以控制其亮度，以提供更佳的可视性的印刷过程。并非所有3D打印机都使用相同的技术，采用哪種打印技术取决于建构层的不同方式。熔融沉积成型（FDM）和选择性激光烧结术（SLS）是最常用的技术，使用这种技术的三维打印是通过熔化或软化材料来建构层。另一种常用的技术被称为光固化（SLA），是用紫外光雷射或其他类似的电源一次一层固化光反应树脂来建构层。

2.1 熔融沉积成型（FDM）

熔融沉积成型（FDM）技术见图1，是将塑料丝或金属丝等可熔性材料从被加热的喷嘴挤出，材料从喷嘴挤压后立即变硬，工作台直接由计算机辅助制造（CAM）软件包控制，可以在水平和垂直方向移动，按照产品数字模型每一层的预定轨迹，以固定的速率打印出产品实体。FDM的优点是材料成本低，且材料丰富，工艺简洁。缺点是精度低，复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑，表面质量粗糙。该工艺适合于产品的外观建模和功能测试。

2.2 选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（SLS）技术，见图2，是用高功率激光将塑料、金属、陶瓷或玻璃粉末的小颗粒熔合成三维实体，即粉床融合。激光通过扫描粉末床表面上的三维建模程序生成的横截面（或层）来选择性地将粉末状材料熔化。扫描每个截面后，粉末层降低一层厚度。然后在顶部应用一层新的材料，并重复这个过程直到对象完成。所有未接触的粉末都保持原样，成为物体的支撑结构。因此，不需要任何支持结构，所有未使用的粉末可用于下一产品的打印。

2.3 光固化（SLA）

光固化快速成型（SLA）技术，见图3，是基于紫外激光技术，采用液态光敏树脂建构对象的。该技术原理是利用离散程序将产品数字模型进行三角形网格化切片处理，设计跟踪路径，生成的数据将精确控制紫外激光器和升降台的运动轨迹。紫外激光束扫描树脂的表面并选择性地固化与产品横截面图案相对应的材料，从底部到顶部一层层叠加而打印出三维产品原型。为定型所需的支撑结构是自动生成的并且漂浮在液态树脂中，产品打印完成后手动删除即可。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经抛光、电镀、喷漆或着色处理即得到外观表面质量较高的产品。

3 设计预验证

3.1 产品设计预验证的重要性

工业产品设计的预验证EVT（Egineering Verification Test）是指对新产品样型做的性能、外观和安规测试。测试是检验产品设计质量和各项指标能否完全达到使用要求的根本方法，是正确评价产品的第一手资料。设计质量是构成产品质量的核心要素，设计预验证风险会极大地影响设计质量，设计质量缺陷会给企业带来难以估量的巨大损失[5]。随着经济的发展和消费者日趋复杂的情感需求，划入产品功能范围的因素也随之增加[6]。以往那种单凭设计师的直觉和经验开展设计的方法受到了很大的挑战[7]。设计师必须结合产品在测试过程中出现的外观和功能问题，提出一些改进意见和额外的测试要求，做到对问题早发现、早处理，及时消除后患，为新产品的设计定型和批量生产打下良好基础。因而设计师必须进入样型制作第一线，既可以熟悉新产品的生产工艺过程和方法，又可以掌握装配程序，严格把关新产品样型的预验证测试工作。

3.2 3D打印预验证实例

3.2.1 3D打印尼龙框架太阳镜

传统的工业产品设计预验证工作需要昂贵的模具和缜密的装配，然后经过反复试验与鉴定对产品的功能和外观造型进行测试。而3D打印机能够在短短几小时内将产品由数字模型转变成三维样型，样型定型后即可进行功能测试。由荷兰设计师MichielCornelissen设计的尼龙框架太阳镜，见图4，正在使用3D打印技术测试其外观款式和佩戴的舒适性。运用3D打印技术对太阳镜样型定型，只需在软件中创建相关信息，就能够对太阳镜框架的颜色、纹理或饰面进行自定义，还可以自定义添加标识、文本或者客户名字等信息。使模型具有自定义的独特属性。亲自体验后发现设计和工程之间的问题，可以在太阳镜原始文件基础上根据业内专家建议及时改进数字模型，以达到高效沟通和协作解决问题的目的，还消除了积压的概念，使得产品样型不用收集在仓库惹尘埃。伴随着人类社会向后工业时代的发展，消费者的体验诉求成为产品创新设计的重要发展趋势[8]。设计师运用3D打印技术对产品进行预验证，提高了用户和产品之间的交互体验品质[9]，缩短了产品设计和研发的周期，加速了产品上市的进程。

3.2.2 3D打印Apple Watch充电支架

3DI是一个独立的3D打印服务公司，有40年与产品设计相结合的服务经验，拥有广泛的市场，专门为发明人或者产品设计公司提供可靠的、机密的设计服务。被消费者钟爱的AppleWatch简洁大方，但是充电电缆往往会造成麻烦。以此为出发点，设计师Christopher Walker围绕苹果智能手表的形状设计了系列简约外形的充电支架，见图5，以期望给用户带来视觉和功能上的紧凑感享受。3DI公司用专业的激光烧结3D打印机构建出该创意支架的原型，以测试其稳固性和设计造型是否方便观看手表。没有螺丝，没有胶水，整个原型包括可移动互联和互锁部分都是一体印刷的。充电支架使用多色聚酞胺材料印刷，然后再手动喷绘表面。人类需要高科技，更需要高情感[10]。基于 3D打印技术的设计可以有无穷无尽的外观，取决于你想要使用的材料，可以用钢、用透明材料甚至使用灵活的橡胶材料等等。

4 结语

3D打印使工业产品设计预验证简单而有效。3D打印技术的研发每个月都有新发展。为确保新产品定型预验证的质量，需根据产品设计方的品牌和实际业务要求，制定出最佳的3D打印方案。然后通过用户体验来预验证产品在市场中可能存在的问题，并通过计算机辅助设计和3D打印制造技术组合给产品设计方提出最佳解决方案，为产品批量生产奠定坚实的基础。评价一款新产品是否优良，应综合考虑多个层面的评价标准，包括产品高品质的美学价值、实用安全性、合理的材料与工艺、品牌识别性、可持续发展性等。在产品预验证阶段，设计师依据产品评价标准和用户体验提出合理的改进建议，从而有效地控制了工业产品设计研发质量。

参考文献

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[4]王延庆，沈竞兴.3D打印材料应用和研究现状[J].航空材料学报，2016，36（04）：89-98.

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[10]张建春.浅谈产品设计的文化价值[J].新美术，2012（6）：91-93.