3D打印是什么？
3D打印所指的是根據計算機數據逐層逐層地自動打印物品。該技術已經在交通、醫療保健、軍事以及教育等這些機構得到充分利用，用途包括打印概念模型、功能原型、工廠設備（如模具和機器手裝置），甚至是打印制成品（如飛機內部組件）。航空、醫療這兩個行業已經開發出先進的3D打印技術應用設備。
“立體平版印刷”是最早采用的3D打印技術，從20世紀80年代后期一直使用到現在，不過，由于它需要含毒性的化學物質，而且打印出來的物品并不耐用，所以應用這種技術的企業并不多。從那時起，各機構開始研發新技術，當中就有熔融沉積快速成型技術（FDM）。上世紀90年代推出的FDM技術可以制造超薄的工業品位熱塑性塑料層，利用這種塑料層打印出相對耐用的物品。
3D打印機實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造物品的設備。疊加式制造工序通過自下而上的連續分層去制作物品。此方法與傳統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行“裁剪”去獲取想要的形狀。
一些3D打印機體積不大，可以放置在企業部門里作為辦公室設備，甚至可以說放在個人臥室里也不會礙事。相比之下，大型的快速成型設備通常必須集中放置，并且由一個具備專業知識的員工負責管理。現在最便宜的3D打印機只具備家用功能，可供愛好者體驗一下這項新技術的應用。與專業的小型3D打印設備相比，這種3D家用打印機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打印技術面世以來，對設備的可靠性，以及打印物品的質量要求越來越高，這些要求推動了制造商生產具備強大兼容性的應用設備，滿足客戶不同的需求。同時，設備的價格越來越低，某些型號的設備即使小型企業也能夠承擔得起開銷。在去年的一份報告中，Wohlers Associates預計疊加式制造設備的全球年銷量在2015年將會達到15000套，比2010年銷量的兩倍還多。
隨著專業級3D打印設備的價格下降，以及設備的使用變得越來越簡便，許多設計師和工程師都樂于采用這項技術。人們越來越期待可以實現在數小時之內將一個計算機輔助設計繪圖轉化一個真實的立體物品，這個想法會顛覆企業對設計流程的認識。有了3D打印技術，設計流程將會更快，更高效，還可以降低成本。
3D打印機如何工作？
3D打印機的工作原理其實很簡單，通俗地說，首先在電腦上設計一個完整的三維立體模型（也成為計算機輔助性設計），然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機，再將打印機與電腦相連接，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，最終把計算機上的藍圖變成實物。這種通過連續的物理層創建出三維對象的3D打印技術是疊加式制造工序的一種形式，與傳統的疊加式制造工序相比，其具有速度快、價格便宜等優點。
在Windows網絡或工作站上運行的打印設備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計算機輔助設計繪圖數據。這種軟件的作用就是將數據傳輸至3D打印設備，從而控制印刷頭的移動與材料輸出。
在3D打印設備工作時，塑性模型材料細絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態，然后通過擠壓頭輸出，精確地沉積成極其細微的分層。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），具體數值取決于打印設備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動，模型與支撐材料將自低而上地構造，壓盤根據實際情況上下移動。
在構造模型時，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造結構復雜的模型，如嵌套結構，以及具有移動部件的多重組件。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，或者進行其它處理。
四大應用
3D打印技術可以為我們帶來什么？雖然對于產品開發和制造來說，該項技術能夠帶來無限的可能性，但是大部分的技術應用主要分成四類：
概念模型：在設計流程早期，使用3D打印技術去構造模型，可以檢查設計物件的結構、外形和功效，發現任何缺點都可以第一時間修改設計。此后，如果有需要，可以再次構造、檢查和修改設計，重復這個迭代過程，直到設計出最好的概念模型。將二維的設計圖轉變為真實的物件，無疑可以加速產品開發流程，降低成本。此外，三維物件更好地展示設計，因此設計師能夠更快做出更好的決定。
功能原型：設計師可以通過制造功能原型去證明設計的合理性，同時，還可以使用三維物件進行性能測試和嚴格的工程評價。功能原型組件的制作通常可以提高效率，從數小時到十多小時不等，還便于第一時間找出缺點，避免出現工程性變更，付出昂貴的代價。3D打印技術還可以縮短產品上市時間，最大化產品性能。
工具制造：企業的制造工序中，在需要鉆模、夾具、測量儀器、樣品、模型、壓鑄模等工具時，可以通過產品打印設備制作，而不是花費時間和金錢去購置和安裝機器，進行鑄型或澆鑄。三維產品打印設備在工具制作方面不僅可以縮短時間，降低成本，還可改善生產裝配流程。基于分層的構造使企業可以設計出結構精密、質量輕盈、符合人體工程學的產品，提高裝配流程的效率。
制成品：3D打印技術已經成為業界新潮流，不論是航空企業、醫學設備制造商、小型的汽車生產商，還是洞悉先機的企業家，都紛紛采用這項技術。使用3D打印技術取代傳統的生產流程可以節省時間，降低成本，而且無論何時，只要有需要便可以對設計作出修改，解除了傳統生產流程的限制，這樣，企業可以在定制業務或小批量應用設備方面開拓新市場。
使用3D打印技術加快設計周期
一項產品停留在設計周期的時間越長，推向市場的時間也會越漫長，這意味著企業的潛在利潤將會越來越少。某項調查表明，產品的上市時間是受訪者最關心的日常問題。受訪者同樣表示，在17%的產品中，產品原型制作消耗相當長的時間，是縮短上市時間的最大障礙。
業界普遍認為產品應該更加快速地推向市場。隨著縮短上市時間的重要性越來越大，在設計的概念階段，企業不得不縮減決策時間，同時又必須確保所作決定的準確性。這些決定會影響大部分的成本因素，如材料選擇、制造技術以及設計壽命。通過快速制作產品模型進行測試，加快設計迭代速度，3D打印技術可以優化設計流程，為企業最大化潛在利潤。例如為專業領域生產噴漆和紋理設備的Graco公司，該公司的工程師使用一臺3D打印設備去測試各種噴漆槍和噴管組合，設計出最合理的噴流形式和試驗出最精確的噴射量，而生產出的新型噴射紋理槍是由3D打印設備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術可以幫助減少產品開發時間，Graco公司估計減少的最大幅度可達75%。
從一個絕妙的創意，到一項成功的產品，中間充滿著重重困難。Greg Stevens和James Burley在他們經常被引用的新產品開發分析報告《3000個原始創意=1次商業成功》中指出，除了3000個原始創意，一項成功的創新還需要125個小規模計劃，4項大型開發和1.7個產品發布。在評估創意是否值得投放開發資源時，3D打印技術能夠助企業一臂之力，縮短傳統評估所需要用的時間，提高效率。
3D打印技術帶來更加高效的設計
通過多次的設計評估和高效的迭代流程，3D打印技術能夠提高產品成功發布的機率。成功的產品設計需要不斷的修改和完善。如果在企業內部安置3D打印設備，設計繪圖就能夠迅速轉變成立體模型，即時的設計信息反饋能夠使設計團隊更快地完成概念模型修改。通過與技術部門、市場部門以及質量保證部門的協作，設計師們可以在設計流程和后續測試中第一時間作出調整。
更快速地將設計繪圖轉變為立體模型是縮短設計流程時間的唯一方法。在航空業、汽車制造業、工業設計行業以及教育行業的用戶紛紛表示，從傳統的制作方法轉換到3D打印技術后，產品原型制作的速度提升了43%-96%。傳統的原型制作技術有噴射模塑技術、數控加工技術、金屬加工技術以及二維激光切割技術。有些情況下，拖慢原型設計的一個主要因素就是機械工廠的交付周期過長。
經過多次原型迭代優化的設計流程能夠有效地降低產品出現故障的風險。由于3D打印設備可以制作出能夠經受嚴格測試的、具備優良特性的模型，設計師在工作時將更加得心應手。此外，數據的完整性與安全性在競爭環境下是最受企業關注的問題。雖然，將屬于商業機密的STL文件交與信賴的制造商通常并不會產生什么危險，但是，如果企業內部擁有3D打印設備，就可以掃除一切有關知識產權泄露的擔憂。
及時作出必要的修改不僅節省金錢，還節省時間。3D打印設備制作的模型能夠讓設計師和工程師全面理解潛在產品的方方面面，減少遺留問題的風險。
總評
3D打印技術提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設計迭代，在關鍵的開發過程初始階段，獲取產品設計的即時反饋信息。對于產品設計幾乎即時的修改，不僅有助于降低成本，而且能夠加快產品上市時間。對于在設計流程中采用3D打印技術的企業來說，無疑增加了明顯的競爭優勢。
隨著價格的下降，3D打印設備市場將會進一步擴大，尤其是在中小型企業和學校方面。3D打印設備耐用，打印快捷、準確，成本低廉等好處可以幫助企業縮短產品上市周期，增強企業競爭力。
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本文標題：3D打印技術——產品設計新思維
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