3D打印技术在产品设计中的应用概况

2017/11/21 13:18

3D打印技术具有传统制造工艺所不具备的优势,例如产品多样化的同时不增加成本、无需组装、零时间交付、零技能制造等,且已经在航空航天、汽车制造以及工业装备制造等领域得到应用。在产品设计领域,因为今后个性化和定制化的产品会逐渐成为市场主流,而3D打印技术可以按照消费者的个体想法生产物品和创意作品,使产品的个性化设计与生产成为可能。本文着意介绍了3D打印技术与材料的基本知识,并概述其在产品设计领域的应用现状,为其在该领域的进一步应用拓展启发思路。

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3D打印技术概述

(一)工艺

目前,3D打印技术所使用的较成熟的工艺主要有熔融沉积成型(FDM)、激光近净形成型(LENS)、热熔胶粘接薄材(LOM)、光固化成型(SLA)、粉末激光烧结成型(SLS)和喷涂粘接成型(3DP)。

1.FDM:是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的。FDM打印机沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道移动。沉积第一层时,打印头先勾勒出要打印物体的轮廓,然后打印头来回扫描以填充轮廓。第一层打印完成后,打印头会略微抬起,然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程,打印出设计文件所描绘物体的每个横截面。

2.LENS:将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边,遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此,当激光的焦点扫描 过打印对象的轮廓,打印头吹出更多的粉末时,部件就会一层一层地逐渐增长。

3.LOM:将材料薄片层压成一个单独的三维实体。在设计文件的指引下,刀具或激光束将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出,切完一张薄片后,铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起,当制作对象的所有横截面都切好后,将这些切片层按压融合为一个三维实体。

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4.SLA:通过激光扫描光敏聚合物来形成三维实体。它的工作原理是激光扫描光敏聚合物以后,打印机台面下沉,将已经打印的部分沉入液体中,新的光敏聚合物覆盖其顶部,如此往复,有些SLA打印机以相反的方式工作。

5.SLS:由德克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。它不使用液态光敏聚合物,而是使用粉末,采用二氧化碳激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件的方法成型,打印过程完成后物体被最终埋在粉末下。

6.3DP:3DP是在20世纪80年代由麻省理工学院的学生保罗·威廉姆斯和他的导师伊莱·萨克斯教授发明的。它是通过打印头将黏合剂或某种胶挤到原材料粉末中打印实体的。由于3DP打印机通过在原材料内挤入胶水生成层,所以并不需要激光,而且有很多原材料可以使用。3DP打印机不需要高功率的组件,因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光,从而很难制造出很薄的层,制造出的物体往往表面粗糙,但可以彩色打印。

(二)材料

根据不同的3D打印的制造工艺,对应着不同的3D打印材料(表1)。 此外还有应用于打印消费类电子产品、医疗设备以及汽车轮胎、垫片、内饰等的橡胶材料、陶瓷材料,以及应用于珠宝和艺术品的玻璃材料。

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3D打印在产品设计中的应用

(一)玩具

3D打印技术的流行和普及将定制化的理念融入到玩具的设计和制造中,人人都可以成为生产者,资源和能源的浪费也将大幅减少。一家名为Dream Factory的公司2015年发布了一个专门为4-10岁之间儿童设计的3D打印城市玩具“Buddyracers”(图1)。完整的“Buddyracers”系列是由Dream Factory的3D构建师Fabian Magri和John Revilla设计的,整套城市玩具包括建筑物、树木、街道设施、人物、车辆等70件3D打印模型。Dream Factory公司表示,除了这70件3D打印模型以外,孩子们还可以通过定制和创建新的3D模型来扩展自己的玩具数量。Dream Factory的首席3D构建师Yanizo称:3D打印每辆车需要1个半小时,每个角色需要20分钟,这些模型在设计初期都经过精雕细琢,以减少打印时间,并且不需要支撑结构。

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(二)家居制品  

3D打印技术能够打破传统的造型理论,可以制作许多传统制造工艺很难制作或无法制作的家具。在巴黎制汇节上,Drawn公司用他们自己设计的加拉太亚3D打印机制造了巴比伦椅(The Babylon Chair)。

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从外观来看,其表层质量非常均匀,而且每层都十分流畅和一致。逐层堆积形成的一圈圈纹路使家具的造型更加独特和美观,给我们带来视觉上强烈的冲击力.意大利3D打印机制造公司Sharebot与意大利家具公司Nespoli结成合作伙伴,共同开发3D打印家具——细木工板护壁板(Boiserie)的解决方案。Nespoli和合作伙伴对装饰元素进行三维扫描,制作成可以任意缩放尺寸的三维模型,然后使用Sharebot XXL 3D打印机完成细木工板护壁板的制造。三维打印机使用FFF(熔融纤维制造)技术,可以打印出700mm×250mm×200mm的高精度实物。这个项目,使数字化制造和现代化产品完美结合,让3D打印制作细木工板护壁板这样的装饰性元素成为可能,让那些已有百年历史的传统技术更完善。

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(三)文化娱乐

1.艺术品摆件

3D打印技术的成熟使得一些原本难以用手工完成的工作变得容易实现,同时也激发了艺术家的创作灵感,比如一个3D打印的个性化花瓶。它是用石膏粉掺入粘结剂,注入到打印喷头中,逐层打印出来的,产品成型后使用密封胶以确保耐用性和更多生动的颜色,3D打印使这种具有奇特造型的设计变成现实。

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2.乐器

美国密歇根大学的工程系学生Daniel Olson使用一台桌面级3D打印机((MendelMax 2.0 3D打印机)完整地打印出了一把三阀小号,它是由17个独立的零部件(使用的是ABS材料)组成的,最后组装到一起,形成了外观和感觉与普通的小号一样的作品。它虽然能够演奏曲子,但音质不好。

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3.个性消费品

由于3D打印能够制造各种形状相对复杂的配件,所以3D模型设计师精心设计的各种样式的3D模型得以展现,其外形美观、经久耐用。Polychemy公司利用3D打印技术打印出了极具个性的手机壳。它用坚固有弹性的聚酰胺塑料,利用3D打印机打印出模板,之后经过雕刻而制成。Polychemy公司还推出了指纹、漩涡、迷宫等图案的手机壳,另外还可以把自己的名字融入到设计中。这些3D打印的手机壳给人留下深刻的印象,不仅实用,且外形美观,充满时尚气息。

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4.定制鞋  

传统制鞋工艺中,设计,做模型,再做鞋子,重复上千次才能制作出与设计师构思完全相符的鞋子。2013年,Earl Stewart在惠灵顿维多利亚大学Ross Stevens的指导下,设计了“XYZ shoe”。“XYZ shoe”有151XYZ和098XYZ两种款式,展示的是151XYZ。Earl Stewart利用精确的3D扫描技术制作个性化的3D打印鞋,每只鞋都用3D扫描仪扫描使用者的脚,以获得准确无误的尺寸,然后将这些数据传送到多种材料的3D打印设备中,将扫描数据转化成精密的物体,最终设计制造出灵活舒适的个性化鞋子。这不仅满足了设计师的要求,也满足了使用者的需求,充分体现了3D打印定制化、个性化、小批量生产精细产品的优势。

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3D打印在产品设计中所面临的问题

3D打印有五大子产业,即设备商、材料商、设计软件供应商、设计师、云设备商。在产品设计领域,3D打印技术激发了设计师的创作灵感,但在设计软件的完善、更加精确的模型输出格式等方面依然存在着亟待解决的问题。目前诸多的实例证明,3D打印技术可以与设计完美地结合在一起,但是如何让其成为产品,形成可行的产业链成为至关重要的问题。

例如:3D打印家具受材料和工艺的限制,不具有传统制造工艺的优势,另一方面,3D打印材料的环保性等各项指标还有待专家部门的权威检测和认证。现在虽然可以用3D打印机打印较大的家具实物,不过其价格非常高。但在家具的连接结构和复杂结构家具的生产方面,3D打印技术可以与传统制造工艺相结合,形成互补,从而制作出更加舒适和美观的家具。

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3D打印技术正处在不断发展的阶段,其本身又存在先天性不足:3D打印技术的相对单一制约了材料的更新,而新材料的不断研发又会带动技术的更新,二者是相辅相成的,而3D打印技术的打印时间过长、打印尺寸有限制及大批量生产无成本优势等方面使3D打印仍不能代替传统制造工艺。在产品设计领域,我们需要更精确,更快的打印技 术以及更丰富的打印材料。

通过上面的例子我们可以看出,3D打印技术在产品设计领域已经得到应用。在产品设计领域,3D打印技术可以满足个性化产品需求和实现复杂结构产品制造,这激发了设计师的创作灵感,将设计师与普通人紧密地连接在一起,为产品设计带来新的生命力,其发展前景十分广阔。同时,3D打印技术也存在一些设计、技术和推广上的问题,今后,随着这项技术的成熟与发展,必将在产品设计领域得到更加广泛的应用

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