将3D打印技术与工业设计结合有助于企业在工业设计和生产过程中降低成本,提高经济效益。两者的结合使工业设计公司工作更便利,开发成本低.3D打印技术一兴起就受到整个工业界的大力推广和应用，其优点是显然易见的，但作为一个新兴事物，它也有其缺点，主要体现在机器价格昂贵，能应用的材料少，因此工业设计行业也要求3D打印研发企业更加关注自身的3D打印技术和材料的应用,改变传统的模型制造方式,不断地改进3D打印技术和系统创新. 推动两者向更完整的方向融合,推动中国设计产业的发展.
一、3D打印技术概述
1、3D打印技术的概念
自20世纪90年代以来,随着3D打印技术的逐渐发展,对工业制造业具有革命性的意义。与现有制造工艺中所需的原始胚胎和模具不同,3D打印技术通过计算机获取的图像数据和加载在打印机上的液体或粉末来操作和控制打印材料,形成由计算机设计的真实图形对象。3D打印技术本质上是一种使用光聚合和纸张层压的快速原型设备,在创建对象方面优于现有的制造方法,简化了制造过程,缩短了产品开发周期。
2、3D打印技术的工作原理
3D打印技术的一般工作原理,可以简单概括为3D打印机接受计算机设计数据和待打印的原材料逐层处理产品。三维打印的技术基础是快速原型技术,根据3D打印所需的不同材料和打印过程中不同的层形成方法,快速原型技术分为SLA,SLS和FDM。
（1）SLA
SLA是最古老的快速原型制作过程。这是一个选择性的愈合过程,主要使用光敏树脂制作小件作品,如概念模型等。当打印机处理树脂槽充满液体光敏树脂时,树脂受到激光照射并快速固化,成形过程为:在距横向层水平一定距离的液态树脂水平面下方,工作表面可以升高或降低,并固化形成薄板,调整升降台高度,根据电脑模型要求逐层扫描固化,完成模型的制作。
（2）SLS
SLS被称为烧结粉末材料的选择性过程。与SLA过程中使用液体树脂不同,粉末材料通过激光烧结和堆叠,每层烧结后,使用另一层粉末材料,三维产品是一层层地加固的。粉末材料可与胶粉混合,如塑料粉、陶瓷粉和金属粉,用于制造塑料、陶瓷和金属零件。这种印刷过程需要很长时间,由于颗粒粉末大小的影响,产品的表面粗糙。
（3）FDM
FDM工艺使用热熔喷嘴加工工程塑料、聚酯碳酸和其他丝状材料。根据投影产品的形状,材料被熔化成半液体,挤压后在工作面上形成0.127mm厚的板材。当一层完成后,继续下一层,直到整个成品完成。该工艺生产过程相对清洁,操作方便。与熟练的SLA技术相比,其精度低,表面粗糙度差。
3、3D打印技术的优缺点
3D打印技术是近年来制造业迅速发展的一项新技术,与传统生产制造技术相比,具有显著降低成本、缩短生产时间和材料组合、产品设计独特等优点。
(1)降低较高的生产成本。传统产品的原始生产过程中,如果产品形状复杂,在设计、材料等方面的投资将非常高。3D打印机可以打印简单或复杂的对象,所有组件都集成到一个单件中,无需额外成本以及生产、装配和其他传统研磨工具流程。传统的金属产品生产中,不适当的副产品将被丢弃并转化为废物,3D打印产品可以降低原材料成本,模型中使用的原材料不会限于产品本身而过度消耗。
(2)减少产品的生产期限。现有产品的生产模式中,客户向制造商提供设计,制造商根据设计生产模型再交由客户审核,生产时间长,当双方处于异地时,还要涉及运输时间。通过3D打印,制造商可以根据客户需求就近以3D打印机直接打印产品,修改设计产品,节省了运输和制造时间。
(3)将各种材料可以连接在一起。3D打印技术的FDM是一种给长丝材料(如机械塑料和热管聚酯碳酸盐)喂料并与新材料融合的方法,颜色很丰富。
(4)进行独特的产品设计。传统制造的产品受到模具和材料的限制,形状固定,机器只能生产部分零件和模具。3D打印技术允许根据人们的需要和想象设计不同的形状,以获得适合特定用途的产品,例如移动印刷、人造艺术品、人眼、汽车等。
4、瓶颈和缺陷。
(1)3D打印机价格高昂。不管材料成本如何,大多数台式打印机的成本约为20000元以上,这在中国是无法实现的。
(2)3D打印的精度和效率并不理想。3D打印机可以打印多种产品,但打印效率不足以实现大规模批量生产。由于技术原理的限制,印刷精度和速度之间仍然存在矛盾,使得相关产品低于传统产品。
(3)价差大,材料品种少。目前,3D打印材料的价格相差很大,每公斤从数百元到数万元不等。消费者中最受欢迎的产品是高质量和低成本的产品,如果3D打印产品的价格高于预期,很难广泛销售。目前,各国开发的材料包括树脂、塑料和金属,一般高需求材料包括不锈钢、镍基合金、银等。
5、3D印刷技术与工业设计
20世纪90年代中期出现的3D打印技术是以数字模型文件为基础,以金属粉末或塑料等黏合材料为原料,通过逐层打印的方式创建对象。3D打印通常使用数字技术材料打印机实现,常用于模具制造、工业数据中心等领域的模型制作,并逐渐用于直接制造一些零部件。这项技术应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空、牙科和医疗服务、教育、地理信息系统、土木工程、等工业设计领域,在传统工业设计的最后阶段,建立人工模型进行可行性验证并验证设计的合理性。手工模型制作通常需要一周的时间,价格从几千元到几万元不等,且模型也不完全精确,到了冲压阶段,模具制作需要更多的时间和资金投入。有了3D打印技术,只需要3D打印机和相关的打印材料就可以脱模,在几个小时内完成高精度、高难度模型并进行测试,大大缩短了产品开发周期和成本。随着技术的发展,3D打印越来越受欢迎,3D印刷技术的出现对生产和工业设计产生了重大影响。某些特殊情况下,在建筑领域利用3D打印技术改善人们的生活条件。
二、3D打印对工业设计的影响
1、减少设计压力
3D打印技术出现之前,深圳的工业设计依赖于手工作业,耗费了设计师大量的时间和精力,对设计师的专业要求也非常高。另外,企业不但要以高额薪资聘请设计师,而且一旦设计出现问题,修改完善过程将进一步延长设计周期,增加成本开支。随着3D打印技术的出现,工业设计随着相关软件的开发和引入发生了重大变化,例如:日本动漫玩具将3D打印技术与工业设计相结合,设计人员主要致力于动画人物的建模,利用PROE,3DMAX,PS等程序进行开发，而最终把结果通过3D打印来反馈。显示这大大的减少的工业师的作业时间，让设计师进一步脱离手机，回到应所在的工作岗位。
2、提升空间工业设计
3D打印技术是针对某些特殊领域的,这些领域的计算机辅助工业设计对材料的性能和适用性提出了具体要求,现阶段的3D打印材料不符合这些要求,制约了计算机辅助产业与3D打印技术的联合发展,需要不断提高3D打印中使用的材料的性能和适用性。
与3D打印技术相比,计算机辅助工业设计的发展时间更长,在某些情况下,传统的设计方法仍在继续使用,阻碍了3D打印技术的发展。而且,工业界人士不能及时协调工作思路,实现3D技术与计算机辅助产业设计的完美结合。
我国3D打印技术发展时间不长,起步较晚,许多专业人士对3D打印技术并不了解,缺乏理论知识。另外,尚未建立更完善的行业教育体系,企业缺乏相关技术培训活动,会出现3D打印技术的应用失误,一定程度上制约了行业发展速度。(4)3D打印技术与计算机辅助工业设计相结合,需要具体的软件支撑。目前我国在这方面的软件开发不如发达国家,结合过程需要大量的时间和生产实践。
3、促进了工业的设计思维
转变传统的工业设计制造因装配、生产等因素,限制了设计师的想象力和创造力。随着技术的不断优化和改进,可以及时制造出形状和结构复杂的产品,设计师也不可避免地对产品的造型、形式和创意进一步优化,以保证多样化、多结构、广视角,更强调人性化,并要求不断提高产品设计的艺术性和人体机械性能的设计元素。量产是传统工业设计的基础,可以根据模型进行相应的设计和生产,大大减少个性化设计动作,但这使得在设计中很难突出用户的环境、习惯和个性化内容。
4、优化设计流程,降低设计成本
设计过程的流畅性是工业设计有效开展的关键,其中最重要的沟通手段是模型。模型在广东地区称为手板。90年代，CNC加工手板为主流，为重要的工业设计的外观和结构设计验证样品。其最大的缺点是加工时间相对长，价格昂贵。因此设计师通常被要求尽可能打一次手板便完成设计方案，此时工业设计师也背负着相当大的工作压力。
然而当3D打印出现后，情况就大大的不一样了，树脂手板大大的节省了手板加工时间，费用也比CNC低很多。如今深圳地区的工业设计师大多可以一有想法马上就用3D打印打印模型，以验证当前的设计进度。因为每一步的设计进程都能很快地得到验证，这也大大的加快的产品开发周期。