基于3D藝術打印技術的播種機零部件設計與研究

王曉高

(四川工商職業技術學院，四川 都江堰 611800)

0 引言

近年來,隨著大規模農業作業的興起,農業機械自動化技術得到了飛速發展,加上國家擴大內需和西部大開發等一系列戰略,具有自動化作業能力的農機市場需求逐漸擴大。播種機是農業作業過程中最常使用的機械之一,從大型播種機到自動化無人作業播種機的一系列升級換代過程中,其外形的藝術設計一直沒有受到重視，在惡劣的操作環境下駕駛員容易產生疲勞感和緊張感,而播種機外形設計的美觀性可以在一定程度上減輕播種機駕駛員的操作精神負擔。本研究擬從播種機的藝術外形設計入手,將3D藝術打印技術引入到播種機的外形初步設計中,可以拓展播種機外形的設計思路,是播種機外形設計的一次跨界性設計的嘗試。

1 3D打印技術在藝術外形設計中的應用

近年來，隨著3D打印技術的快速發展,藝術設計領域也開始在3D打印方面進行了很多嘗試性的探索,在時裝展上出現了不少3D打印的服裝和鞋子,如荷蘭設計師設計的長滿“獠牙”的3D打印服裝風靡一時。2011年，Materialise公司使用金銀等材料打造了一款服飾,如圖1所示。

圖1 3D打印藝術設計

采用3D藝術打印可以使服裝展示出三維效果,使服裝顯得更加具有藝術色彩。3D打印技術可以使產品展示出完美的外形,又節省了設計開發的成本,可以獨立完成設計和生產等環境。如果將其使用在播種機的外形設計上,可以有效地提高播種機外形設計的創意性,據此設計了基于3D打印技術的農機零部件外形藝術設計平臺,其原理流程如圖2所示。

本次采用藝術外形試制的方式對播種機設計模型進行評價,然后通過修改達到客戶的需求。采用3D打印藝術設計可以使設計師不再局限生產方式,可以大膽創意,思維更加自由,可以實現不同領域的跨界合作,使播種機的外形設計更加豐富和多元化。

圖2 播種機外形3D打印藝術設計流程

2 播種機零部件藝術外形及其3D打印過程設計

與其他產品一樣,播種機的外形布局和結構設計包含了較多的心理感知意義,是審美價值創造的體現。播種機屬于三維實體模型,其外形設計需要考慮點線面加工工藝需求,通過添加藝術色彩,達到均衡對稱、穩定輕巧、節奏韻律統一的實用性和審美效果。播種機屬于重型機械,利用剛性平面或者斜面的過渡可以突出其堅實挺拔的外形,還要利用曲線的流線型構造突出其速度感和現代美,給人渾厚圓潤的運動氣息。

在以往的產品外形設計過程中,可以將樣品試制出來,這種方式還要考慮加工工藝,費時費力,大大增加了設計周期和費用。后來，人們發現借助于計算機輔助設計可以大大地提高設計效率,但沒有實體模型,只靠計算機設計效果無法凸顯個性化設計需求。而利用3D打印技術,可以以較小的成本將計算機輔助設計的三維模型打印實體模型來,并且可以考慮色彩等因素,完全可以滿足播種機外形設計的個性化服務需求。

下面以播種機軸承座的3D打印設計為例,詳細說明一下3D打印的模型設計過程和打印過程。首先可以利用CATIA軟件對軸承座模型進行設計,根據具體零件的大小和位置,設計三維實體模型,如圖3所示。

圖3 軸承座三維模型

模型建立好后，需要考慮3D打印的實現過程,需要對模型進行分層處理,即在打印時一層層打印出來,分層處理如圖4所示。

圖4 3D打印分層處理

將模型進行分層處理后可以設置打印精度,一般可以取打印步長為不大于5mm,然后將文件轉換為.stl格式的文件,這種格式的文件可以被打印機直接識別,其流程如圖5所示。

圖5 文件格式轉換

將文件格式轉換后,把切層保存的stl文件輸入到3D打印機里,便可以開始打印。根據3D打印的基本流程,設計了基于3D藝術打印的播種機外形設計的基本流程框架,如圖6所示。

圖6 基于3D藝術打印的播種機外形設計流程

為了滿足播種機外形設計的個性化需求,可以將使用軟件設計的播種機外形以小型樣機的形式打印出來,給播種機需求客戶帶來更加形象的外形展示體驗。在進行3D打印前首先需要將模型進行軟件設計,設計合格后將待3D打印的模型進行分層處理,然后進行文件格式轉換,利用3D打印機進行模型打印,打印過程中還可以根據設計的顏色調整模型的色彩。最后，將制成的3D打印模型展示給客戶,待客戶提出修改意見后,對外形進行重新設計,直到最后達到客戶的個性化需求。

3 基于CATIA和3D打印的播種機前蓋板藝術造型設計

根據前述的播種機外形設計的3D藝術打印方法和流程,擬采用CATIA軟件對播種機前蓋板進行藝術設計后,采用3D打印機進行打印。CATIA軟件最基本的功能就是零件設計功能,利用其創建實體功能,可以完成零件的拉伸、旋轉、掃掠和鉆孔等,使用的工具條為Sketch-Based Features工具條。

曲面造型設計是播種機外形設計中最常用的功能之一,在CATIA軟件中有創成式外形設計和自由風格曲面兩種功能模塊實現曲面的設計,使用這兩種模塊可以實現常規的圓角、倒角和切線等常用曲線和曲面設計,還可以具有多截面曲面、填充曲面、橋接曲面等功能,幫助完成更加復雜的播種機外形結構,從而實現播種機前蓋板的藝術設計。

圖7表示一款新型的播種機。本次將對該款播種機的前蓋板進行修改設計,最主要的是曲面的設計,曲面造型設計作為一種三維造型中的高級進階技術,而利用CATIA軟件可以方便的實現各種曲線和曲面的構型,如圖8所示。

圖7 播種機原型

圖8 播種機前蓋板軟件設計過程

利用CATIA軟件可以成功地實現前蓋板的各種曲線和曲面的創建,還可以對曲面外形進行修復和填充等,實現前蓋板的藝術設計；最后，利用3D打印機打印出了前蓋板的外形,如圖9所示。

圖9表示采用3D藝術打印設計出來的播種機前蓋板的整體效果,在打印時考慮了顏色因素,直接將播種機前蓋板的色彩打印出來,得到了較為滿意的設計效果。

圖9 播種機前蓋板3D打印藝術設計效果

4 結論

為了豐富播種機外形設計的方法,提高外形設計的藝術性,將3D藝術打印技術引入到了播種機的零部件外形設計中,并采用CATIA軟件設計了前蓋板的三維模型,最后利用3D打印技術對前蓋板的模型進行了打印。由設計效果可以看出：采用3D藝術打印技術不僅可以完成前蓋板曲面曲線等一系列設計,還可以根據設計師設計的色彩直接調制出模型的顏色,在打印過程中生產顏色效果,使設計過程更加生動和接近實際。由于3D打印技術還并未成熟,也沒有得到大規模的應用,因此對3D藝術打印技術在農機外形設計中推廣還有較長的路要走,相信在未來的設計中,跨界設計思想將在更多領域得到應用。