一種折疊式3D打印機的工業設計研究與實踐

劉瑋 陳祖堯 樊志潔

摘要：對市場輕量級3D打印機產品的成型技術應用現狀、工業設計現狀開展了分析，總結了3D打印機的小型化、輕量化、時尚化發展趨勢。基于目標人群需求及使用場景明確了折疊式3D打印機產品定義及設計要求，并開展了工業設計分析與實踐，從產品的附加功能、折疊方式、整體形象、CMF等方面開展了系統設計，塑造了科技、簡約、時尚的產品形象特征。

關鍵詞：3D打印機;折疊;工業設計

3D打印技術作為一種新興的快速制造技術，經過30余年的不斷發展和應用領域的不斷拓展，已與制造業、工業設計、建筑、服飾、醫療、科學研究等多領域交叉融合，對傳統制造業的升級、服務業的發展產生了深遠的影響。隨著社會對3D打印技術的教育普及需求、萬眾創新背景下人們的創新及個性化定制需求等市場需求的大量出現，開發輕量級、小型化、靈活化的消費電器型3D打印機成為3D打印機市場新的增長點。

1輕量級3D打印機產品現狀及發展趨勢

1.1成型技術應用現狀

3D打印的成型工藝主要有光固化成型（Stereolithographyapparatus，SLA）、疊層實體制造（Laminated object manufacturing，LOM）、選擇性激光燒結（selected laser sintering，SLS）、熔融沉積制造（fused deposition modeling，FDM）、三維印刷（three dimension printing，3DP）五類[1]。

1.2工業設計現狀

隨著大眾DIY愛好者、教育機構、設計服務、創客空間等輕量級產品市場的快速成長，外形小巧、使用方便、操作簡單、適合辦公、家庭等環境使用的桌面型3D打印機迅速發展。較成熟的桌面型3D打印機產品多采用以下結構形式：

（1） 箱型結構

箱型結構是目前桌面3D打印機市場上最為成熟的一種形式。一般采用薄木板、鋁薄板或有機玻璃板制成封閉箱型機身，使產品外觀具有較好的整體感和商業性，可將電氣線路等較好地布置于箱型機身內部，將控制系統布置于機身下部或背部。相對封閉的打印空間可也在一定程度上隔離耗材產生的異味。箱型結構同時也為產品外觀色劑留下了更多的空間。如美國 MakerBot 公司的產品MakerBot Replicator23D打印機。

（2） 龍門型結構

龍門型結構的打印平臺前后運動實現Y軸運動，打印頭在X軸上左右運動，整個X軸上下運動實現Z軸運動，具有結構簡單、成本低廉等優點，可將電氣線路沿龍門結構布置，控制系統可布置于機身下部[1]。如美國3D Systems公司的第二代消費型Cube3D打印機。由于打印平臺有Y軸運動，龍門結構僅適合應用于小型3D打印機，否則易產生模型晃動，導致打印失敗。

1.3輕量級3D打印機發展趨勢

隨著3D打印技術的發展成熟和產品市場的培育普及，3D打印機價格大幅下降，體積小巧、操作簡便、打印速度塊、便于收納與攜帶、易于維護、后續服務附加值高的輕量級、消費電器型3D打印機成為普通用戶和教育市場的主流需求。

2折疊式3D打印機工業設計分析

2.1產品定義與設計要求

折疊式3D打印機基于ABS熔融沉積成型技術及龍門式結構，通過對龍門結構立柱與懸臂進行結構設計，實現折疊收納的功能[2]。產品目標人群為：普通家庭、設計師、教育培訓人員、DIY愛好者等，使用環境為：家庭、設計工作室、教室、創客空間等。工業設計目標為：基于產品的技術與結構，對產品開展系統性設計，使其功能完備、造型美觀簡潔、折疊收納狀態和展開打印狀態均具有較好的形態美感、外觀滿足鈑金制造工藝要求、人機關系和諧、色彩亮麗、滿足消費者的不同喜好。

2.2產品設計思路

（1）附加功能設計

通過用戶需求調查及用戶行為觀察，緊密圍繞產品的易用性這一核心進行附加功能設計：增加擴展接口實現產品脫機打印功能;采用觸屏設計，簡化人機操作硬界面，便于用戶直接操控。

（2）折疊方式優化

通過實際使用體驗發現，由于現有折疊結構的使用痛點，需要對折疊方式進行優化設計、簡化折疊操作步驟。

（3） 外觀形象塑造

在產品設計中，外觀是給予產品最直觀的感受，通過造型設計建立良好的產品及品牌形象。

（4） CMF個性化設計

產品設計中對色彩、材料、質感等設計對象的細節處理，會顯著提升產品的整體特征與形象，在視覺和情感上產生進一步的審美效果[3]。折疊式3D打印機在控制制造成本、保證工藝簡潔的同時，應同時應突出作為消費類電子產品的色彩設計要求，突出個性化和多元化設計特征，增加產品的親和力。

3折疊式3D打印機工業設計實踐

設計方案首先對3D打印機龍門架的折疊方式進行了優化設計（如圖1所示）：將打印機上蓋板（即打印平臺）設計為可拆卸式，折疊時先將上蓋板取下，再將龍門架立柱與懸臂旋轉90°，即可完成折疊操作，最后將上蓋板安裝復位。經測試，優化后的折疊方式操作簡便性大大提高，上蓋板與機體連接方式經合理設計，拆卸及安裝方便、結構穩定，對打印性能未產生不良影響。

外觀形象遵循科技型產品的基本設計原則，采用簡約的幾何體造型。為避免整體造型生硬呆板，高度輪廓線采用了圓角設計;為使產品從視覺上產生輕薄感，頂部和底部的輪廓線采用了斜角設計。立柱上嵌入安裝產品品牌logo，該logo同時也是工作狀態燈，打印機工作時logo亮起，傳達品牌形象。設計方案如圖2所示。

色彩設計主要體現產品的現代感和時尚感。在配色方面，根據??產品形態外觀進行合理的色彩分割，主要將其劃分為上下蓋板和機身兩個部分，進行色彩對比與調和設計，豐富配色方案。在材質上，根據打印機各結構部件的性能區別，上下蓋板使用亞克力材料。亞克力板材具有良好的光潔度、色彩性、觀賞性，同時具有良好的耐沖擊性和優良的抗變形能力，在確保打印性能的前提下，可有效提高產品的質感。機身選為鈑金件，表面處理采用拉絲工藝，通過拉絲的深淺、粗細、絲線的順序產生金屬的材質美感，提升產品的形象。小巧簡單的機身、簡約時尚的造型、豐富靚麗的配色為產品營造出自由、輕松、多元的應用場景（圖3）。

4結論

折疊式3D打印機是在3D打印機產品發展日益呈現出的輕量級、消費型發展趨勢下，以普通家庭教師、設計工作者、教育培訓人員、DIY愛好者等為主要目標人群，開發的體積小巧、便于攜帶，操作簡單、經濟實用的小型3D打印機產品。從工業設計的視角，在確保成型性能要求的基礎上，通過附加功能設計、折疊結構優化、外觀形象設計、CMF個性化設計等對產品進行了系統化設計，凸顯了產品在結構功能與視覺形象方面的特色創新，是對3D打印機新產品設計開發的有益嘗試，為廣大用戶更好地體驗實踐的樂趣提供了更多的可能性。

參考文獻：

[1]楊繼全，戴寧，侯麗雅.三維打印設計與制造[M].北京：科學出版社，2013：2-3.

[2]商智高，郭韜，吳宇軒，董子銘，彭朝陽，周蕊，吳恩銘.可折疊FDM 3D打印機設計與研究[J].科技與創新，2019（10）：47-49.

[3]田會娟.消費類電子產品CMF創新設計研究[J].中國新技術新產品，2020（09）：95-97.

基金項目：【1】江蘇省教育廳哲學社會科學研究項目“工業設計加速江蘇3D打印產業發展的方法與應用研究”（2015SJB042）

【2】教育部人文社會科學基金資助項目（17YJCZH231）;

【3】教育部產學研協同育人項目（201901024002）