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3D打印技术在产品设计中的应用概况 　　摘 要：3D打印技术正处于不断发展的阶段，主要的工艺和材料不断更新，3D打印技术在满足个性化产品需求和实现复杂结构产品制造方面的作用和优势，以在玩具、家居制品等领域中最为突显。3D打印技术在产品设计领域的推广和应用前景广阔，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。 　　关键词：3D打印；材料；产品设计 　　一、前言 　　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。 　　二、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。 　　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。 　　三、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。 　　（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