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3D打印技术——产品设计新思维
发布日期:2013-11-07浏览次数:字号:[ ]

随着 3D 打印技术的愈发成熟,相关应用将会大大改变传统的产品制作工序,提高生产效率,将优质产品更快推向市场。3D 打印技术也会被称为“快速成型技术”,但这种说法并不能涵盖这种技术的所有用途。在 3D 打印中,所用到的材料有树脂、塑料,特殊情况下也会使用金属材料。

 

3D打印是什么?

 

3D 打印所指的是根据计算机数据逐层逐层地自动打印物品。该技术已经在交通、医疗保健、军事以及教育等这些机构得到充分利用,用途包括打印概念模型、功能原型、工厂设备(如模具和机器手装置),甚至是打印制成品(如飞机内部组件)。航空、医疗这两个行业已经开发出先进的 3D 打印技术应用设备。

“立体平版印刷”是最早采用的3D 打印技术,从 20 世纪 80 年代后期一直使用到现在,不过,由于它需要含毒性的化学物质,而且打印出来的物品并不耐用,所以应用这种技术的企业并不多。从那时起,各机构开始研发新技术,当中就有熔融沉积快速成型技术(FDM)。上世纪 90 年代推出的FDM 技术可以制造超薄的工业品位热塑性塑料层,利用这种塑料层打印出相对耐用的物品。

3D 打印机实际上是一种通过叠加式制造工序,使用塑料或者其它材料去构造物品的设备。叠加式制造工序通过自下而上的连续分层去制作物品。此方法与传统的减法制造工序正好相反,减法制作工序通过对整块材料进行“裁剪”去获取想要的形状。一些 3D 打印机体积不大,可以放置在企业部门里作为办公室设备,甚至可以说放在个人卧室里也不会碍事。相比之下,大型的快速成型设备通常必须集中放置,并且由一个具备专业知识的员工负责管理。现在最便宜的 3D 打印机只具备家用功能,可供爱好者体验一下这项新技术的应用。与专业的小型 3D 打印设备相比,这种3D 家用打印机打印出的物品分辨率较差,尺寸不够精确也不够牢固,欠缺耐久性。

自从 3D 打印技术面世以来,对设备的可靠性,以及打印物品的质量要求越来越高,这些要求推动了制造商生产具备强大兼容性的应用设备,满足客户不同的需求。同时,设备的价格越来越低,某些型号的设备即使小型企业也能够承担得起开销。在去年的一份报告中,Wohlers Associates 预计叠加式制造设备的全球年销量在 2015年将会达到 15000 套,比 2010 年销量的两倍还多。

随着专业级 3D 打印设备的价格下降,以及设备的使用变得越来越简便,许多设计师和工程师都乐于采用这项技术。人们越来越期待可以实现在数小时之内将一个计算机辅助设计绘图转化一个真实的立体物品,这个想法会颠覆企业对设计流程的认识。有了 3D 打印技术,设计流程将会更快,更高效,还可以降低成本。

 

3D打印机如何工作?

 

3D 打印机的工作原理其实很简单,通俗地说,首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型(也成为计算机辅助性设计),然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机,再将打印机与电脑相连接,就可以通过电脑控制把“打印材料”和三维立体模型一层层地叠加,最终把计算机上的蓝图变成实物。这种通过连续的物理层创建出三维对象的 3D 打印技术是叠加式制造工序的一种形式,与传统的叠加式制造工序相比,其具有速度快、价格便宜等优点。

 Windows 网络或工作站上运行的打印设备软件可以读取大部分的3D 文件格式计算机辅助设计绘图数据。这种软件的作用就是将数据传输至 3D 打印设备,从而控制印刷头的移动与材料输出。

 3D 打印设备工作时,塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态,然后通过挤压头输出,精确地沉积成极其细微的分层。分层的厚度范围在 0.005 英寸 0.013 英寸(即 0.127 毫米 0.33 毫米),具体数值取决于打印设备性能。

印刷头只沿水平方向或垂直方向移动,模型与支撑材料将自低而上地构造,压盘根据实际情况上下移动。

在构造模型时,有了支撑材料(图中褐色部分物件)的承托,模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积,此外,支撑材料还有助于构造结构复杂的模型,如嵌套结构,以及具有移动部件的多重组件。打印工作完成后,可以将模型置于水中,支撑材料将会自行溶解,如果需要,还可以为模型涂上颜料,或者进行其它处理。

 

四大应用

 

3D 打印技术可以为我们带来什么?虽然对于产品开发和制造来说,该项技术能够带来无限的可能性,但是大部分的技术应用主要分成四类:

概念模型:在设计流程早期,使用3D 打印技术去构造模型,可以检查设计物件的结构、外形和功效,发现任何缺点都可以第一时间修改设计。此后,如果有需要,可以再次构造、检查和修改设计,重复这个迭代过程,直到设计出最好的概念模型。将二维的设计图转变为真实的物件,无疑可以加速产品开发流程,降低成本。此外,三维物件更好地展示设计,因此设计师能够更快做出更好的决定。

功能原型:设计师可以通过制造功能原型去证明设计的合理性,同时,还可以使用三维物件进行性能测试和严格的工程评价。功能原型组件的制作通常可以提高效率,从数小时到十多小时不等,还便于第一时间找出缺点,避免出现工程性变更,付出昂贵的代价。3D 打印技术还可以缩短产品上市时间,最大化产品性能。

工具制造:企业的制造工序中,在需要钻模、夹具、测量仪器、样品、模型、压铸模等工具时,可以通过产品打印设备制作,而不是花费时间和金钱去购置和安装机器,进行铸型或浇铸。三维产品打印设备在工具制作方面不仅可以缩短时间,降低成本,还可改善生产装配流程。基于分层的构造使企业可以设计出结构精密、质量轻盈、符合人体工程学的产品,提高装配流程的效率。

制成品:3D 打印技术已经成为业界新潮流,不论是航空企业、医学设备制造商、小型的汽车生产商,还是洞悉先机的企业家,都纷纷采用这项技术。使用 3D 打印技术取代传统的生产流程可以节省时间,降低成本,而且无论何时,只要有需要便可以对设计作出修改,解除了传统生产流程的限制,这样,企业可以在定制业务或小批量应用设备方面开拓新市场。

 

使用 3D打印技术加快设计周期

 

一项产品停留在设计周期的时间越长,推向市场的时间也会越漫长,这意味着企业的潜在利润将会越来越少。某项调查表明,产品的上市时间是受访者最关心的日常问题。受访者同样样表示,在 17%的产品中,产品原型制作消耗相当长的时间,是缩短上市时间的最大障碍。

业界普遍认为产品应该更加快速地推向市场。随着缩短上市时间的重要性越来越大,在设计的概念阶段,企业不得不缩减决策时间,同时又必须确保所作决定的准确性。这些决定会影响大部分的成本因素,如材料选择、制造技术以及设计寿命。通过快速制作产品模型进行测试,加快设计迭代速度,3D 打印技术可以优化设计流程,为企业最大化潜在利润。例如为专业领域生产喷漆和纹理设备的 Graco公司,该公司的工程师使用一台 3D 打印设备去测试各种喷漆枪和喷管组合,设计出最合理的喷流形式和试验出最精确的喷射量,而生产出的新型喷射纹理枪是由 3D 打印设备制作的ABS 塑料功能原型。3D 打印技术可以帮助减少产品开发时间,Graco 公司估计减少的最大幅度可达 75%

从一个绝妙的创意,到一项成功的产品,中间充满着重重困难。GregStevens  James Burley 在他们经常被引用的新产品开发分析报告《3000 个原始创意 =1 次商业成功》中指出,除了 3000 个原始创意,一项成功的创新还需要 125 个小规模计划,4 项大型开发和 1.7 个产品发布。在评估创意是否值得投放开发资源时,3D 打印技术能够助企业一臂之力,缩短传统评估所需要用的时间,提高效率。

 

3D打印技术带来更加高效的设计

 

通过多次的设计评估和高效的迭代流程,3D 打印技术能够提高产品成功发布的机率。成功的产品设计需要不断的修改和完善。如果在企业内部安置 3D 打印设备,设计绘图就能够迅速转变成立体模型,即时的设计信息反馈能够使设计团队更快地完成概念模型修改。通过与技术部门、市场部门以及质量保证部门的协作,设计师们可以在设计流程和后续测试中第一时间作出调整。

更快速地将设计绘图转变为立体模型是缩短设计流程时间的唯一方法。在航空业、汽车制造业、工业设计行业以及教育行业的用户纷纷表示,从传统的制作方法转换到 3D 打印技术后,产品原型制作的速度提升了43%-96%。传统的原型制作技术有喷射模塑技术、数控加工技术、金属加工技术以及二维激光切割技术。有些情况下,拖慢原型设计的一个主要因素就是机械工厂的交付周期过长。

经过多次原型迭代优化的设计流程能够有效地降低产品出现故障的风险。由于 3D 打印设备可以制作出能够经受严格测试的、具备优良特性的模型,设计师在工作时将更加得心应手。此外,数据的完整性与安全性在竞争环境下是最受企业关注的问题。虽然,将属于商业机密的 STL 文件交与信赖的制造商通常并不会产生什么危险,但是,如果企业内部拥有 3D 打印设备,就可以扫除一切有关知识产权泄露的担忧。

及时作出必要的修改不仅节省金钱,还节省时间。3D 打印设备制作的模型能够让设计师和工程师全面理解潜在产品的方方面面,减少遗留问题的风险。

 

总评

 

3D 打印技术提供了一种极具成本效益的方式去完成多次设计迭代,在关键的开发过程初始阶段,获取产品设计的即时反馈信息。对于产品设计几乎即时的修改,不仅有助于降低成本,而且能够加快产品上市时间。对于在设计流程中采用 3D 打印技术的企业来说,无疑增加了明显的竞争优势。

随着价格的下降,3D 打印设备市场将会进一步扩大,尤其是在中小型企业和学校方面。3D 打印设备耐用,打印快捷、准确,成本低廉等好处可以帮助企业缩短产品上市周期,增强企业竞争力。

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