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摘要：以尋求一種模式讓工業產品設計的預驗證工作變得簡單有效為目的。通過對產品設計程序與方法的深入調研，運用計算機輔助設計軟件創建高度吻合的產品三維數字模型，提出了基于3d打印技術對工業產品設計進行預驗證的創新研究方法。結論通過對不同類型的3D打印技術和具體過程的分析研究，得出3D打印的優點是材料種類豐富、定型成本低廉、預驗證流程簡單，適合于產品的外觀建模和功能測試。運用3D打印技術對工業產品進行反復調整和測試，可最大程度提高產品設計成功的可能性，加速產品上市的進程。

關鍵詞：3D打印；產品設計；Rhinoceros

預驗證是對工業產品設計的外觀和功效進行全面綜合分析和測試并以三維樣型形式對產品用戶體驗予以評估的過程，是控制產品設計質量的關鍵環節[1]。產品設計的樣型預驗證工作質量的好壞，對產品設計研發后能否順利進行批量生產乃至進入市場后能否滿足消費者需求有著重要的影響。通過3D打印技術可優化產品設計流程，加快產品研發周期，降低樣型制作時間，為設計師和用戶的創造性思維提供無限可能。

13D打印概述

3D打印（3Dprinting）是一種快速成型技術，它是以數字模型文件為基礎，運用金屬、塑料、陶瓷、光敏樹脂、紅藍蠟等可粘合材料，通過成型設備以逐層打印的方式來構造三維物體的技術[2]。3D打印作為數字化時代的重要產物，經過多年的發展，已經形成比較完善的技術體系，應用范圍不斷拓展，市場規模快速增長。近年來，3D打印技術在工業設計、食品、珠寶、建筑、汽車、航空航天、醫學和生物科學、教育、娛樂藝術以及其他領域都有所應用[3]。《2015年世界知識產權報告》3D打印產業將迎來數千億市場，美國、日本、德國、法國、英國、韓國引領3D打印前沿技術專利申請。在中國，伴隨著當前發展智能制造、創建創新型社會的國家戰略實施，尤其是《中國制造2025戰略》中多次強調指出要培育3D打印產業發展，并將3D打印技術列為我國未來智能制造的重點技術來大力扶持，3D打印技術在中國也將迎來新的發展機遇期[4]。

23D打印過程詳解

3D打印機的液晶控制面板簡單明了易操作，打印時無需連接PC，將待打印產品的三維數字模型用軟件劃分成幾百個或數千個水平層，然后導出成STL文件加載到Wi-Fi、USB或SD卡（取決于什么品牌和類型的3D打印機）中即插即用。3D打印機會讀取三維數字模型的每一層切片，實體產品就可以被一層一層地打印出來。打印區內置LED燈，通過改變輸入電壓可以控制其亮度，以提供更佳的可視性的印刷過程。并非所有3D打印機都使用相同的技術，采用哪種打印技術取決于建構層的不同方式。熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結術（SLS）是最常用的技術，使用這種技術的三維打印是通過熔化或軟化材料來建構層。另一種常用的技術被稱為光固化（SLA），是用紫外光雷射或其他類似的電源一次一層固化光反應樹脂來建構層。

2.1熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型（FDM）技術見圖1，是將塑料絲或金屬絲等可熔性材料從被加熱的噴嘴擠出，材料從噴嘴擠壓后立即變硬，工作臺直接由計算機輔助制造（CAM）軟件包控制，可以在水平和垂直方向移動，按照產品數字模型每一層的預定軌跡，以固定的速率打印出產品實體。FDM的優點是材料成本低，且材料豐富，工藝簡潔。缺點是精度低，復雜構件不易制造，懸臂件需加支撐，表面質量粗糙。該工藝適合于產品的外觀建模和功能測試。

2.2選擇性激光燒結（SLS）

選擇性激光燒結（SLS）技術，見圖2，是用高功率激光將塑料、金屬、陶瓷或玻璃粉末的小顆粒熔合成三維實體，即粉床融合。激光通過掃描粉末床表面上的三維建模程序生成的橫截面（或層）來選擇性地將粉末狀材料熔化。掃描每個截面后，粉末層降低一層厚度。然后在頂部應用一層新的材料，并重復這個過程直到對象完成。所有未接觸的粉末都保持原樣，成為物體的支撐結構。因此，不需要任何支持結構，所有未使用的粉末可用于下一產品的打印。

2.3光固化（SLA）

光固化快速成型（SLA）技術，見圖3，是基于紫外激光技術，采用液態光敏樹脂建構對象的。該技術原理是利用離散程序將產品數字模型進行三角形網格化切片處理，設計跟蹤路徑，生成的數據將精確控制紫外激光器和升降臺的運動軌跡。紫外激光束掃描樹脂的表面并選擇性地固化與產品橫截面圖案相對應的材料，從底部到頂部一層層疊加而打印出三維產品原型。為定型所需的支撐結構是自動生成的并且漂浮在液態樹脂中，產品打印完成后手動刪除即可。將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經拋光、電鍍、噴漆或著色處理即得到外觀表面質量較高的產品。

3設計預驗證

3.1產品設計預驗證的重要性

工業產品設計的預驗證EVT（EngineeringVerificationTest）是指對新產品樣型做的性能、外觀和安規測試。測試是檢驗產品設計質量和各項指標能否完全達到使用要求的根本方法，是正確評價產品的第一手資料。設計質量是構成產品質量的核心要素，設計預驗證風險會極大地影響設計質量，設計質量缺陷會給企業帶來難以估量的巨大損失[5]。隨著經濟的發展和消費者日趨復雜的情感需求，劃入產品功能范圍的因素也隨之增加[6]。以往那種單憑設計師的直覺和經驗開展設計的方法受到了很大的挑戰[7]。設計師必須結合產品在測試過程中出現的外觀和功能問題，提出一些改進意見和額外的測試要求，做到對問題早發現、早處理，及時消除后患，為新產品的設計定型和批量生產打下良好基礎。因而設計師必須進入樣型制作第一線，既可以熟悉新產品的生產工藝過程和方法，又可以掌握裝配程序，嚴格把關新產品樣型的預驗證測試工作。

3.23D打印預驗證實例

3.2.13D打印尼龍框架太陽鏡傳統的工業產品設計預驗證工作需要昂貴的模具和縝密的裝配，然后經過反復試驗與鑒定對產品的功能和外觀造型進行測試。而3D打印機能夠在短短幾小時內將產品由數字模型轉變成三維樣型，樣型定型后即可進行功能測試。由荷蘭設計師MichielCornelissen設計的尼龍框架太陽鏡，見圖4，正在使用3D打印技術測試其外觀款式和佩戴的舒適性。運用3D打印技術對太陽鏡樣型定型，只需在軟件中創建相關信息，就能夠對太陽鏡框架的顏色、紋理或飾面進行自定義，還可以自定義添加標識、文本或者客戶名字等信息。使模型具有自定義的獨特屬性。親自體驗后發現設計和工程之間的問題，可以在太陽鏡原始文件基礎上根據業內專家建議及時改進數字模型，以達到高效溝通和協作解決問題的目的，還消除了積壓的概念，使得產品樣型不用收集在倉庫惹塵埃。伴隨著人類社會向后工業時代的發展，消費者的體驗訴求成為產品創新設計的重要發展趨勢[8]。設計師運用3D打印技術對產品進行預驗證，提高了用戶和產品之間的交互體驗品質[9]，縮短了產品設計和研發的周期，加速了產品上市的進程。

3.2.23D打印AppleWatch充電支架3DI是一個獨立的3D打印服務公司，有40年與產品設計相結合的服務經驗，擁有廣泛的市場，專門為發明人或者產品設計公司提供可靠的、機密的設計服務。被消費者鐘愛的AppleWatch簡潔大方，但是充電電纜往往會造成麻煩。以此為出發點，設計師ChristopherWalker圍繞蘋果智能手表的形狀設計了系列簡約外形的充電支架，見圖5，以期望給用戶帶來視覺和功能上的緊湊感享受。3DI公司用專業的激光燒結3D打印機構建出該創意支架的原型，以測試其穩固性和設計造型是否方便觀看手表。沒有螺絲，沒有膠水，整個原型包括可移動互聯和互鎖部分都是一體印刷的。充電支架使用多色聚酰胺材料印刷，然后再手動噴繪表面。人類需要高科技，更需要高情感[10]。基于3D打印技術的設計可以有無窮無盡的外觀，取決于你想要使用的材料，可以用鋼、用透明材料甚至使用靈活的橡膠材料等等。

4結語

3D打印使工業產品設計預驗證簡單而有效。3D打印技術的研發每個月都有新發展。為確保新產品定型預驗證的質量，需根據產品設計方的品牌和實際業務要求，制定出最佳的3D打印方案。然后通過用戶體驗來預驗證產品在市場中可能存在的問題，并通過計算機輔助設計和3D打印制造技術組合給產品設計方提出最佳解決方案，為產品批量生產奠定堅實的基礎。評價一款新產品是否優良，應綜合考慮多個層面的評價標準，包括產品高品質的美學價值、實用安全性、合理的材料與工藝、品牌識別性、可持續發展性等。在產品預驗證階段，設計師依據產品評價標準和用戶體驗提出合理的改進建議，從而有效地控制了工業產品設計研發質量。本文系江蘇省高校哲學社會科學基金項目（2017SJB1935）。

參考文獻

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[4]王延慶，沈競興．3D打印材料應用和研究現狀[J]．航空材料學報，2016，36（04）：89-98．

[5]鄧俊．設計風險研究[M]．武漢：武漢大學出版社，2012．

[6]陸冀寧．工業設計的藝術哲學解析[J]．文藝研究，2012（6）：163．

[7]梁明捷．論家居產品的整體設計[J]．華南農業大學學報（社科版），2008（3）：97-100．

[8]丁俊武，楊東濤．基于情感的產品創新設計研究綜述[J]．科技進步與對策，2010，27（15）：156-160．

作者：王嫻雅 蔡倩 單位：宿遷學院