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3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响


第30卷第7期 2 0 1 3年7月

机械设计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN

V01.30 No.7 Jul.
2013

3 D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响4
张楠,李飞
(河北科技大学艺术学院,河北石家庄050018)

>摘要:3D打印技术的发展给未来的制造业带来了革命性变革;基于对新旧生产方式的对比,分析了3D打印技术对 产品设计理念、细节、流程及产业模式所带来的影响:产品结构与造型的设计不再受到传统制造工艺束缚;独立设计师可 依靠3D打印技术将自己的创意变成真实的产品,从而催生了大量独立设计师及设计品牌;设计的社会化趋势将会打破 以往设计组织的僵硬的结构划分,消费者获得了自己设计、生产产品的权力。 关键词:3D打印;产品设计;增材制造;设计众包 中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1001—2354(2013)07—0097—03

3D打印作为一种通俗化名称,其实质是增材制造 技术。美国材料与试验协会将增材制造技术定义为: 基于3D模型数据,采用与减式制造技术相反的逐层 叠加的方式生产物品的过程,通常通过电脑控制将材 料逐层叠加,最终将计算机上的三维模型变为立体实 物,是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领 技术11。相对于传统大型的增材制造设备,3D打印概 念着重体现了其设备的小型化、智能化及个人化特征。 经过近20年的探索,3D打印技术已经有了长足进步, 在打印材料、精度、速度等方面都有较大幅度的提高。 目前已经能够在0.01 mm的单层厚度上实现600
dpi

设计过程中难以体现。为了追求大规模生产,消费者 被假定为一模一样的人,个性需求被忽视了H J。如鞋 的尺码是这一设计方式的典型体现:以往的设计模式 是让消费者千变万化的脚型与运动习惯去适应有限的 尺码与型号,而3D打印技术则可根据消费者个人脚 型、运动习惯设计出与其完全匹配的产品。3D打印技 术使产品的个性化设计与生产成为可能。消费者可根 据自身条件、喜好甚至不同的产品使用情景自行进行 设计与生产。利用3D打印技术可以实现产品的量身 定做,人们从产品千人一式转向十人一式、一人一式, 以至于一人十式¨l,真正实现以人为本。


的精细分辨率。目前该技术可使用的材料种类非常丰 富,以生物细胞为材料可打印出器官、骨骼;以沙子为 材料可打印建筑;以玻璃为材料可打印玻璃制品;以金 属为材料可打印机械零件等旧l。打印的材料从主流的 高分子材料到金属、石料均可。截至2012年底,著名 的3D打印成型公司Stratasys的产品已经可以支持 123种不同材料进行3D打印。打印速度方面,垂直可
达到25.4 mm/h以上。随着智能制造的进一步发展

3D打印技术对产品细节设计的影响
增材制造是大批量制造模式向个性化制造模式发

展的引领技术,其突出优势在于实现低成本、高效率、 复杂结构的制造【51。由于采用增式制造技术,相对于 以往的减式生产方式,能够在产品造型、结构等方面做 出革命性的创新。
2.1

成熟,新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广 泛应用于制造领域,3D打印技术也将被推向更高的
层面:”。

产品造型

工业设计师新的设计造型观必将随着时代、科技 和人文艺术的发展而更新[6 J。随着3D打印技术的发 展与应用,产品的生产方式已不再成为设计师想象力 的束缚。外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印 出来,且浑然一体【7l。设计师能够专注于产品形态创 意和功能创新,即所谓“设计即生产”。产品造型设计 将呈现多元化趋势,在其技术属性、经济属性、美学属



3D打印技术对产品设计理念的影响
传统的产品设计是建立在工业革命以来所形成的

大批量生产方式之上的,这意味着消费者的差异性在

?收稿日期:2013—03—21;修订日期:2013—07一01 作者简介:张椭(1976一),男,河北唐山人,讲师,硕士,研究方向:产品设计。

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98

机械设计

第30卷第7期

性、环境属性、人机属性等要素中8,美学属性要素所 占的比例得到提升,产品造型艺术化表现方式将逐渐 流行,届时消费者对于产品造型的审美观也将随之发 生改变。如图l所示,由比利时公司MGX设计的分形 桌子,其造型灵感来自于自然界中的分形生长模式,如 不采用3D打印技术,用传统制造方式难以加工。

少设计反复,缩短产品设计开发时间9。在产品并行 设计条件下,产品开发过程的各环节、各要素在可能的 情况下同时工作,协同运行“’。在产品并行设计过程 中,设计团队间的交流与讨论是推进设计进程的重要 手段。顺畅而高效的设计交流是产品设计开发取得成 功的重要保证。在产品概念设计阶段,设计团队往往 只能借助较为抽象的2D平面图纸作为可视化媒介来 进行方案的设计讨论。手工制作的概念草模在一定程 度上能够弥补平面媒介直观性的不足,但在精度、质 感、触感等方面与概念的设计预期都存在较大偏差。 上述状况无形中限制了团队间关于产品概念的有效交 流。3D打印的应用能够将精准的概念模型引入设计

图1分形桌子

讨论的时间大大提前。设计团队中的每个成员,乃至 产品用户都能够直观地看到和触摸这些概念模型,比 较它们之间的结构、外形和功能的差别与优劣,从而决 定哪些产品概念值得继续下去。3D打印制作的概念 模型能够明确地反映出产品概念存在的问题,进而修 改设计,重复这个设计迭代过程,直到产品概念完善
为止。

2.2产品结构 3D打印使复杂的产品结构成为可能,同时产品结 构设计的一体化趋势逐渐显现。由于目前生产工艺的 限制,一般产品大多由若干部件组装起来共同构成产 品的主体结构。这种组装结构增加了产品的质量、体 积、复杂度和故障几率,同时在生产和装配过程中浪费 了大量的材料及能源。3D打印技术的“加式”方法使 产品结构一体化,变得更加简单,甚至某些特殊铰接结 构可借助辅助性材料一次成型而无需组装,不仅提高 了生产效率,也提高了产品的结构强度和可靠性。如 图2所示,比利时公司MGX设计的另一款OneShot坐 具没有使用一个螺丝钉,中间的铰链利用3D打印一 体成型,绕着中轴散开的支架能够顺畅地开合。

3.2快速产品原型 产品设计开发周期的缩短意味着产品会尽快投入 市场而占得先机。在一项相关调查中,17%的被调查 产品,其原型制作消耗相当长的时间,是缩短上市时间 的最大障碍”。原型测试阶段,设计团队利用产品原 型进行性能测试和严格的工程评价,及早反馈设计缺 陷,从而尽可能规避产品开发风险。采用3D打印技 术可大大缩短产品原型的制作时间,从以往的几天甚 至几个星期变为几小时。另外使用企业内部的3D打 印设备制作原型甚至小批量生产,避免了由于原型制 作生产的外包而带来的知识产权泄露的风险。
4 3 D打印技术对设计产业的影响

4.1 图2

独立设计师与品牌的崛起 传统的产品设计模式受到固有减式生产方式所制

OneShot坐具

约,与制造商利益高度相关的专业设计师主导着产品
3 3 D打印技术对产品设计流程的影响

设计忙。随着3D打印技术的日趋成熟,独立设计师 对于传统加工业的依赖性将越来越小。由于以往生产 模式的限制,设计师要把自己的想法变成实际产品必 须与制造商合作,在付出不菲的生产费用的同时还必 须时刻防止由于信息交流不畅而造成的产品质量瑕 疵,从而浪费了大量原本可用于创作的时间与精力。 由于以大批量生产模式生产小批量产品导致最终商品

3.1

良好的设计交流媒介 目前产品设计流程的平行化越来越受到重视,通

过改进产品设计开发流程等手段,并行考虑产品生命 周期各阶段因素,强调后续环节可能出现的问题要在 设计的早期阶段就被析出并加以解决,最大限度地减 万方数据

2013年7月

张楠,等:3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响

的价格较高,从而影响到产品与品牌的推广。未来的 3D打印技术可以让设计师自行制造设计作品,然后通 过传统渠道或者网络平台进行销售。设计师完全可以 根据订单进行生产,实现零库存,规避商业风险。 4.2社会化设计的兴起 由于企业对于生产环节的垄断,目前产品的设计 与开发基本由企业主导,具体过程由设计师执行,消费 者只能被动接受结果。这种状况割裂了消费者的需求 与产品设计问的关系。随着3D打印的兴起,生产制 造格局由以往的集中化、大批量的专业化制造转变为 分散化、小批量的社会化制造。每个消费者都可能变 成设计师和生产商,对于那些具有较强的创新意识,具 备一定的设计、研发能力的领先用户更是如此。正如 《第三次浪潮》中所预测,消费者将对消费品的生产过 程施加更多影响,从而演变成“生产消费者”。在后工 业时代,其实每个人都是设计师,也就是说设计是非集 约化的,传统意义的设计师不再依靠自己的力量独立 完成设计,而是开始扮演设计组织者的角色,建立良好
的社区,组织有效的设计平台¨。
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随着3D打印技术所带来的社会化制造,新的社 会化设计模式——“设计众包”也将大行其道。设计 众包是指一个公司或机构把过去由员工执行的设计任 务以自由自愿的形式外包给非特定的大众网络的做 法。例如成立于2009美国Quirky公司通过网络媒体 接收公众提交的产品设计思路,并由公司的注册用户 进行评论和投票表决,如此每周挑选出一个产品进行 3D打印生产,参加产品设计和修正过程的众包人员可 分享30%的营业额¨。这种新颖的设计众包模式打 破了以往专业设计团队对产品设计流程的垄断,为产 品创新注入了新的活力,从而使消费者的需求与产品 设计更加紧密地结合在一起。


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一一 一

一 ~

结论与展望
未来的3D打印技术不仅从根本上改变了延续近

百年的现代制造业模式,也从深层影响了设计领域的 方方面面。未来的设计师将不会再把自己的想象力固 封在产品加工工艺的牢笼中,设计师的想象力与创造 力会得到空前的激发。独立设计师可依靠3D打印技 术将自己的创意变成真实的产品,从而催生大量独立 设计师及设计品牌。设计的社会化趋势将会打破以往 设计组织的僵硬的结构划分,消费者获得了自己设计、
生产产品的权力。

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3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 张楠, 李飞, ZHANG Nan, LI Fei 河北科技大学艺术学院,河北石家庄,050018 机械设计 Journal of Machine Design 2013,30(7)

参考文献(14条) 1.李涤尘 增材制造:实现宏微结构一体化制造 2013(06) 2.乔益民 3D打印技术在包装容器成型中的应用[期刊论文]-包装工程 2012(22) 3.王雪莹 3D打印技术与产业的发展及前景分析[期刊论文]-中国高新技术企业 2012(26) 4.李德庚 主动想象力[期刊论文]-装饰 2010(06) 5.刘星 工业设计在三维打印时代面临的发展变化[期刊论文]-包装工程 2011(12) 6.张立 产品造型语言研究[期刊论文]-包装工程 2007(03) 7.文蹈 能主宰未来的产品[期刊论文]-装备制造 2012(11) 8.潘萍;杨随先 产品形态创新设计及其评价体系研究现状与趋势[期刊论文]-机械设计 2012(05) 9.曾庆良 基于并行工程的产品成本评估系统研究[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版) 2003(03) 10.刘国豪 基于并行工程的工业设计流程构建[期刊论文]-装饰 2010(06) 11.许廷涛 3D打印技术——产品设计新思维[期刊论文]-电脑与电信 2012(09) 12.邵宇 3D打印技术的发展与产品设计民主化 2013(03) 13.王璇 社会化设计思维及其在工业设计中的启示[期刊论文]-吉林艺术学院学报 2012(06) 14.王飞跃 从社会计算到社会制造:一场即将来临的产业革命[期刊论文]-中国科学院院刊 2012(06)

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