正向設(shè)計在快速成型技術(shù)中的應(yīng)用與實踐

楊延波 王 曉 孫曉錦

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 陜西咸陽712000；2.陜西省城市經(jīng)濟學校 西安710016)

隨著生活水平的提高，人們對機電產(chǎn)品、辦公用品等日常商品的個性化需求愈發(fā)強烈。市場上目前使用的卷尺造型屬正方圓角常規(guī)形態(tài)。本文將介紹一款新型電動卷尺的研發(fā)過程，闡述工業(yè)設(shè)計中正向設(shè)計方法在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用過程，擬將三維數(shù)字化設(shè)計和快速成型技術(shù)運用到新產(chǎn)品的開發(fā)中，使得產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短、成本減少，并能滿足人們個性化的生活需要。

1 設(shè)計思路

正向設(shè)計是以系統(tǒng)工程理論、方法和過程模型為指導(dǎo)，面向復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的改進改型、技術(shù)研發(fā)和原創(chuàng)設(shè)計等場景，以需求拉動和技術(shù)推動為動力，不以仿制抄襲山寨為手段和目的，消化吸收各種現(xiàn)有技術(shù)和成果，以提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力和為客戶創(chuàng)造價值為目標的設(shè)計活動[1]，簡言之就是一個從概念設(shè)計起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。其中，數(shù)控編程和數(shù)控加工環(huán)節(jié)屬于產(chǎn)品模型制作環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)由于不可控因素較多引起效率低、周期長和成本高等不足，其基本流程如圖1所示。

圖1 正向設(shè)計的基本流程

新型電動卷尺的研發(fā)將對常見的卷尺重新進行造型設(shè)計，使其具有文化創(chuàng)意、結(jié)構(gòu)完善、功能多樣等特點和要求。該卷尺重點參考人體工學原理，運用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進行自主研發(fā)，采用自上向下設(shè)計方法快速設(shè)計和更新零件的模型，可明顯縮短研發(fā)周期。使用快速成型技術(shù)進行增材制造，極大降低生產(chǎn)成本。即對圖1中的CAD建模環(huán)節(jié)采用自上向下設(shè)計方法，數(shù)控編程和數(shù)控加工環(huán)節(jié)采用快速成型技術(shù)進行技術(shù)改進，其改進后的基本流程如圖2所示。

圖2 改進后的正向設(shè)計基本流程

2 三維實體設(shè)計

2.1 創(chuàng)意草圖設(shè)計

新型電動卷尺的原型理念來源于民間泥塑—拓荒牛，其造型創(chuàng)意古樸，形態(tài)渾厚有力，極富地域特色，如圖3所示。創(chuàng)意草圖設(shè)計屬于概念設(shè)計的環(huán)節(jié)，運用素描技術(shù)進行初步的方案設(shè)計，使用功能聯(lián)想和模仿創(chuàng)新兩種創(chuàng)新方法手工繪制出電動卷尺的創(chuàng)意草圖[2]，創(chuàng)意草圖設(shè)計如圖4所示。

圖3 拓荒牛泥塑模型

圖4 創(chuàng)意草圖設(shè)計

2.2 三維造型設(shè)計

電動卷尺的三維造型設(shè)計使用PTC Creo Parametric 3.0軟件進行CAD建模。首先根據(jù)創(chuàng)意草圖設(shè)計出該造型的外觀曲面，如圖5所示。其次使用自上向下設(shè)計方法逐個拆分零件，并創(chuàng)建出各個零部件的三維實體[3]，如圖6所示。最后對各個三維實體模型進行組裝。其自上向下設(shè)計的優(yōu)點是若對產(chǎn)品整體造型外觀曲面進行修改，則所有零件的形態(tài)也會隨之自動更改，而最終的裝配體也會同步更新[4]。

圖5 外觀曲面

由于在正向設(shè)計中不能提前預(yù)判電動卷尺的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸和其他細節(jié)問題，并在短時間內(nèi)進行優(yōu)化，因此利用自上向下設(shè)計方法的優(yōu)點可實現(xiàn)由于電動卷尺概念設(shè)計的變化而引起的模型快速修改和更新。經(jīng)多次論證后，確定了最終的方案，縮短了設(shè)計周期。

圖6 拆分的三維實體零件

2.3 人機工學

由于工業(yè)設(shè)計主要解決人—物之間的關(guān)系，所以研發(fā)新產(chǎn)品應(yīng)重點考慮人在使用時的舒適性、合理性和便捷性，以期達到人群使用的安全需求。新型電動卷尺的設(shè)計要符合人機工學原理，根據(jù)大眾群體手掌的尺寸標準，采用前大后小的通用性原則，以期適合各類人群的手握尺寸。使用時只需單手操控按鈕便可自由伸縮尺帶來進行實際測量。利用PTC Creo Parametric 3.0軟件的Pro/E Mankin模塊測試該造型設(shè)計是否滿足人機工學的要求。其過程如下：（1）打開組裝好的電動卷尺模型；（2）插入Pro/EMankin庫的Mankin組件；（3）對該Mankin組件模型進行組裝定位，使電動卷尺組件模型放置在該人體模型組件的右手中[5]。經(jīng)對比分析，該電動卷尺設(shè)計的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、比例等符合人們的右手握持習慣，如圖7所示。

圖7 Pro/E Mankin模塊進行人機工學對比

3 三維實體模型的渲染

工業(yè)設(shè)計最終目的是為人們提供更合理的使用方式，但產(chǎn)品只有在人們購買使用后才能體會它的作用。為了提高新型產(chǎn)品的吸引力和加強市場宣傳推廣，需要對新產(chǎn)品進行三維渲染，從而提高產(chǎn)品的附加值和知名度，利于市場拓展并提升商品的價值。

采用Keyshot軟件進行三維實體零件的渲染設(shè)計[6]。其操作步驟如下：（1）打開Keyshot4.2 Pro軟件，導(dǎo)入電動卷尺的三維模型，并進行位置調(diào)整使其貼合地面。（2）對電動卷尺的各個零件附著不同的材質(zhì)進行渲染，如圖8所示。（3）對渲染后的效果圖進行保存，便于后期的宣傳和市場宣傳。

圖8 三維實體的渲染效果

4 產(chǎn)品模型的制作

新型電動卷尺的三維實體設(shè)計完成后將三維模型保存為STL格式。使用北京太爾時代科技有限公司的INSPIRE D255型3D打印設(shè)備進行增材制造。該設(shè)備是基于FDM（Fused Deposition Modeling熔融沉積制造）工藝技術(shù)的3D打印機，使用ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）絲狀材料進行制作。其操作步驟如下：（1）打開ModelWizard 1.80Beta版三維打印專家軟件，導(dǎo)入電動卷尺的三維實體模型并進行合理擺放。（2）對導(dǎo)入的三維模型添加輔助支撐、設(shè)置分層參數(shù)和材料質(zhì)量的預(yù)估打印等設(shè)置。（3）將3D打印數(shù)據(jù)發(fā)送給3D打印機進行增材制造，完成的成品如圖9所示。（4）將3D打印完成的模型經(jīng)過剝離輔助支撐、粘貼、打磨拋光等后期處理，效果如圖10所示。

圖9 3D打印完成后的實物

圖10 實物模型后期處理后的效果

5 結(jié)語

工業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)根據(jù)市場需求，采用先進的設(shè)計方法和技術(shù)手段進行理念創(chuàng)新及技術(shù)改進。該新型電動卷尺采用正向設(shè)計思路進行新產(chǎn)品研發(fā)，將傳統(tǒng)的加工制造環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和改進，在不影響新產(chǎn)品研發(fā)的前提下使改進后的設(shè)計流程符合正向設(shè)計思路。將工業(yè)設(shè)計理念和技術(shù)融入整個研發(fā)過程，使新產(chǎn)品在具備文化創(chuàng)意、功能擴展、人機工學等特點的同時，可明顯縮短研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本。