3D打印是什么？
3D打印所指的是根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)逐層逐層地自動(dòng)打印物品。該技術(shù)已經(jīng)在交通、醫(yī)療保健、軍事以及教育等這些機(jī)構(gòu)得到充分利用，用途包括打印概念模型、功能原型、工廠設(shè)備（如模具和機(jī)器手裝置），甚至是打印制成品（如飛機(jī)內(nèi)部組件）。航空、醫(yī)療這兩個(gè)行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的3D打印技術(shù)應(yīng)用設(shè)備。
“立體平版印刷”是最早采用的3D打印技術(shù)，從20世紀(jì)80年代后期一直使用到現(xiàn)在，不過，由于它需要含毒性的化學(xué)物質(zhì)，而且打印出來的物品并不耐用，所以應(yīng)用這種技術(shù)的企業(yè)并不多。從那時(shí)起，各機(jī)構(gòu)開始研發(fā)新技術(shù)，當(dāng)中就有熔融沉積快速成型技術(shù)（FDM）。上世紀(jì)90年代推出的FDM技術(shù)可以制造超薄的工業(yè)品位熱塑性塑料層，利用這種塑料層打印出相對耐用的物品。
3D打印機(jī)實(shí)際上是一種通過疊加式制造工序，使用塑料或者其它材料去構(gòu)造物品的設(shè)備。疊加式制造工序通過自下而上的連續(xù)分層去制作物品。此方法與傳統(tǒng)的減法制造工序正好相反，減法制作工序通過對整塊材料進(jìn)行“裁剪”去獲取想要的形狀。
一些3D打印機(jī)體積不大，可以放置在企業(yè)部門里作為辦公室設(shè)備，甚至可以說放在個(gè)人臥室里也不會礙事。相比之下，大型的快速成型設(shè)備通常必須集中放置，并且由一個(gè)具備專業(yè)知識的員工負(fù)責(zé)管理�，F(xiàn)在最便宜的3D打印機(jī)只具備家用功能，可供愛好者體驗(yàn)一下這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用。與專業(yè)的小型3D打印設(shè)備相比，這種3D家用打印機(jī)打印出的物品分辨率較差，尺寸不夠精確也不夠牢固，欠缺耐久性。
自從3D打印技術(shù)面世以來，對設(shè)備的可靠性，以及打印物品的質(zhì)量要求越來越高，這些要求推動(dòng)了制造商生產(chǎn)具備強(qiáng)大兼容性的應(yīng)用設(shè)備，滿足客戶不同的需求。同時(shí)，設(shè)備的價(jià)格越來越低，某些型號的設(shè)備即使小型企業(yè)也能夠承擔(dān)得起開銷。在去年的一份報(bào)告中，Wohlers Associates預(yù)計(jì)疊加式制造設(shè)備的全球年銷量在2015年將會達(dá)到15000套，比2010年銷量的兩倍還多。
隨著專業(yè)級3D打印設(shè)備的價(jià)格下降，以及設(shè)備的使用變得越來越簡便，許多設(shè)計(jì)師和工程師都樂于采用這項(xiàng)技術(shù)。人們越來越期待可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)小時(shí)之內(nèi)將一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖轉(zhuǎn)化一個(gè)真實(shí)的立體物品，這個(gè)想法會顛覆企業(yè)對設(shè)計(jì)流程的認(rèn)識。有了3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)流程將會更快，更高效，還可以降低成本。
3D打印機(jī)如何工作？
3D打印機(jī)的工作原理其實(shí)很簡單，通俗地說，首先在電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)完整的三維立體模型（也成為計(jì)算機(jī)輔助性設(shè)計(jì)），然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī)，再將打印機(jī)與電腦相連接，就可以通過電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這種通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出三維對象的3D打印技術(shù)是疊加式制造工序的一種形式，與傳統(tǒng)的疊加式制造工序相比，其具有速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
在Windows網(wǎng)絡(luò)或工作站上運(yùn)行的打印設(shè)備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖數(shù)據(jù)。這種軟件的作用就是將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印設(shè)備，從而控制印刷頭的移動(dòng)與材料輸出。
在3D打印設(shè)備工作時(shí)，塑性模型材料細(xì)絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài)，然后通過擠壓頭輸出，精確地沉積成極其細(xì)微的分層。分層的厚度范圍在0.005英寸至0.013英寸（即0.127毫米至0.33毫米），具體數(shù)值取決于打印設(shè)備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動(dòng)，模型與支撐材料將自低而上地構(gòu)造，壓盤根據(jù)實(shí)際情況上下移動(dòng)。
在構(gòu)造模型時(shí)，有了支撐材料（圖中褐色部分物件）的承托，模型的懸掛部分能夠順利完成材料沉積，此外，支撐材料還有助于構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，如嵌套結(jié)構(gòu)，以及具有移動(dòng)部件的多重組件。打印工作完成后，可以將模型置于水中，支撐材料將會自行溶解，如果需要，還可以為模型涂上顏料，或者進(jìn)行其它處理。
四大應(yīng)用
3D打印技術(shù)可以為我們帶來什么？雖然對于產(chǎn)品開發(fā)和制造來說，該項(xiàng)技術(shù)能夠帶來無限的可能性，但是大部分的技術(shù)應(yīng)用主要分成四類：
概念模型：在設(shè)計(jì)流程早期，使用3D打印技術(shù)去構(gòu)造模型，可以檢查設(shè)計(jì)物件的結(jié)構(gòu)、外形和功效，發(fā)現(xiàn)任何缺點(diǎn)都可以第一時(shí)間修改設(shè)計(jì)。此后，如果有需要，可以再次構(gòu)造、檢查和修改設(shè)計(jì)，重復(fù)這個(gè)迭代過程，直到設(shè)計(jì)出最好的概念模型。將二維的設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的物件，無疑可以加速產(chǎn)品開發(fā)流程，降低成本。此外，三維物件更好地展示設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)師能夠更快做出更好的決定。
功能原型：設(shè)計(jì)師可以通過制造功能原型去證明設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)，還可以使用三維物件進(jìn)行性能測試和嚴(yán)格的工程評價(jià)。功能原型組件的制作通�？梢蕴岣咝�，從數(shù)小時(shí)到十多小時(shí)不等，還便于第一時(shí)間找出缺點(diǎn)，避免出現(xiàn)工程性變更，付出昂貴的代價(jià)。3D打印技術(shù)還可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，最大化產(chǎn)品性能。
工具制造：企業(yè)的制造工序中，在需要鉆模、夾具、測量儀器、樣品、模型、壓鑄模等工具時(shí)，可以通過產(chǎn)品打印設(shè)備制作，而不是花費(fèi)時(shí)間和金錢去購置和安裝機(jī)器，進(jìn)行鑄型或澆鑄。三維產(chǎn)品打印設(shè)備在工具制作方面不僅可以縮短時(shí)間，降低成本，還可改善生產(chǎn)裝配流程�；诜謱拥臉�(gòu)造使企業(yè)可以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)精密、質(zhì)量輕盈、符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品，提高裝配流程的效率。
制成品：3D打印技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界新潮流，不論是航空企業(yè)、醫(yī)學(xué)設(shè)備制造商、小型的汽車生產(chǎn)商，還是洞悉先機(jī)的企業(yè)家，都紛紛采用這項(xiàng)技術(shù)。使用3D打印技術(shù)取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程可以節(jié)省時(shí)間，降低成本，而且無論何時(shí)，只要有需要便可以對設(shè)計(jì)作出修改，解除了傳統(tǒng)生產(chǎn)流程的限制，這樣，企業(yè)可以在定制業(yè)務(wù)或小批量應(yīng)用設(shè)備方面開拓新市場。
使用3D打印技術(shù)加快設(shè)計(jì)周期
一項(xiàng)產(chǎn)品停留在設(shè)計(jì)周期的時(shí)間越長，推向市場的時(shí)間也會越漫長，這意味著企業(yè)的潛在利潤將會越來越少。某項(xiàng)調(diào)查表明，產(chǎn)品的上市時(shí)間是受訪者最關(guān)心的日常問題。受訪者同樣表示，在17%的產(chǎn)品中，產(chǎn)品原型制作消耗相當(dāng)長的時(shí)間，是縮短上市時(shí)間的最大障礙。
業(yè)界普遍認(rèn)為產(chǎn)品應(yīng)該更加快速地推向市場。隨著縮短上市時(shí)間的重要性越來越大，在設(shè)計(jì)的概念階段，企業(yè)不得不縮減決策時(shí)間，同時(shí)又必須確保所作決定的準(zhǔn)確性。這些決定會影響大部分的成本因素，如材料選擇、制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)壽命。通過快速制作產(chǎn)品模型進(jìn)行測試，加快設(shè)計(jì)迭代速度，3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，為企業(yè)最大化潛在利潤。例如為專業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)噴漆和紋理設(shè)備的Graco公司，該公司的工程師使用一臺3D打印設(shè)備去測試各種噴漆槍和噴管組合，設(shè)計(jì)出最合理的噴流形式和試驗(yàn)出最精確的噴射量，而生產(chǎn)出的新型噴射紋理槍是由3D打印設(shè)備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術(shù)可以幫助減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，Graco公司估計(jì)減少的最大幅度可達(dá)75%。
從一個(gè)絕妙的創(chuàng)意，到一項(xiàng)成功的產(chǎn)品，中間充滿著重重困難。Greg Stevens和James Burley在他們經(jīng)常被引用的新產(chǎn)品開發(fā)分析報(bào)告《3000個(gè)原始創(chuàng)意=1次商業(yè)成功》中指出，除了3000個(gè)原始創(chuàng)意，一項(xiàng)成功的創(chuàng)新還需要125個(gè)小規(guī)模計(jì)劃，4項(xiàng)大型開發(fā)和1.7個(gè)產(chǎn)品發(fā)布。在評估創(chuàng)意是否值得投放開發(fā)資源時(shí)，3D打印技術(shù)能夠助企業(yè)一臂之力，縮短傳統(tǒng)評估所需要用的時(shí)間，提高效率。
3D打印技術(shù)帶來更加高效的設(shè)計(jì)
通過多次的設(shè)計(jì)評估和高效的迭代流程，3D打印技術(shù)能夠提高產(chǎn)品成功發(fā)布的機(jī)率。成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要不斷的修改和完善。如果在企業(yè)內(nèi)部安置3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)繪圖就能夠迅速轉(zhuǎn)變成立體模型，即時(shí)的設(shè)計(jì)信息反饋能夠使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更快地完成概念模型修改。通過與技術(shù)部門、市場部門以及質(zhì)量保證部門的協(xié)作，設(shè)計(jì)師們可以在設(shè)計(jì)流程和后續(xù)測試中第一時(shí)間作出調(diào)整。
更快速地將設(shè)計(jì)繪圖轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw模型是縮短設(shè)計(jì)流程時(shí)間的唯一方法。在航空業(yè)、汽車制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)以及教育行業(yè)的用戶紛紛表示，從傳統(tǒng)的制作方法轉(zhuǎn)換到3D打印技術(shù)后，產(chǎn)品原型制作的速度提升了43%-96%。傳統(tǒng)的原型制作技術(shù)有噴射模塑技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、金屬加工技術(shù)以及二維激光切割技術(shù)。有些情況下，拖慢原型設(shè)計(jì)的一個(gè)主要因素就是機(jī)械工廠的交付周期過長。
經(jīng)過多次原型迭代優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程能夠有效地降低產(chǎn)品出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。由于3D打印設(shè)備可以制作出能夠經(jīng)受嚴(yán)格測試的、具備優(yōu)良特性的模型，設(shè)計(jì)師在工作時(shí)將更加得心應(yīng)手。此外，數(shù)據(jù)的完整性與安全性在競爭環(huán)境下是最受企業(yè)關(guān)注的問題。雖然，將屬于商業(yè)機(jī)密的STL文件交與信賴的制造商通常并不會產(chǎn)生什么危險(xiǎn)，但是，如果企業(yè)內(nèi)部擁有3D打印設(shè)備，就可以掃除一切有關(guān)知識產(chǎn)權(quán)泄露的擔(dān)憂。
及時(shí)作出必要的修改不僅節(jié)省金錢，還節(jié)省時(shí)間。3D打印設(shè)備制作的模型能夠讓設(shè)計(jì)師和工程師全面理解潛在產(chǎn)品的方方面面，減少遺留問題的風(fēng)險(xiǎn)。
總評
3D打印技術(shù)提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設(shè)計(jì)迭代，在關(guān)鍵的開發(fā)過程初始階段，獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的即時(shí)反饋信息。對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾乎即時(shí)的修改，不僅有助于降低成本，而且能夠加快產(chǎn)品上市時(shí)間。對于在設(shè)計(jì)流程中采用3D打印技術(shù)的企業(yè)來說，無疑增加了明顯的競爭優(yōu)勢。
隨著價(jià)格的下降，3D打印設(shè)備市場將會進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是在中小型企業(yè)和學(xué)校方面。3D打印設(shè)備耐用，打印快捷、準(zhǔn)確，成本低廉等好處可以幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。
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本文標(biāo)題：3D打印技術(shù)——產(chǎn)品設(shè)計(jì)新思維
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