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3D打印技术的发展与应用分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-06  来源:南极熊  作者:中国标识网  浏览次数:523
核心提示:目前3D打印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。
  3D打印技术的发展给未来的制造业带来了革命性变革,接下来将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。
 
  目前3D打印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。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25.4mm/h以上。随着智能制造的进一步发展成熟,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。
 
  1、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。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,真正实现以人为本。
 
  2、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。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。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。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、美学属性、环境属性、人机属性等要素中,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1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。
 
  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、3D打印技术对产品设计流程的影响
 
  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,最大限度地减少设计反复,缩短产品设计开发时间。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。
 
  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、3D打印技术对设计产业的影响
 
  4.1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约,与制造商利益高度相关的专业设计师主导着产品设计。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间的关系。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。
 
  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。
 
  5、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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