王曉高

(四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611800)

0 引言

近年來,隨著大規(guī)模農(nóng)業(yè)作業(yè)的興起,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)得到了飛速發(fā)展,加上國家擴(kuò)大內(nèi)需和西部大開發(fā)等一系列戰(zhàn)略,具有自動化作業(yè)能力的農(nóng)機(jī)市場需求逐漸擴(kuò)大。播種機(jī)是農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中最常使用的機(jī)械之一,從大型播種機(jī)到自動化無人作業(yè)播種機(jī)的一系列升級換代過程中,其外形的藝術(shù)設(shè)計(jì)一直沒有受到重視，在惡劣的操作環(huán)境下駕駛員容易產(chǎn)生疲勞感和緊張感,而播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的美觀性可以在一定程度上減輕播種機(jī)駕駛員的操作精神負(fù)擔(dān)。本研究擬從播種機(jī)的藝術(shù)外形設(shè)計(jì)入手,將3D藝術(shù)打印技術(shù)引入到播種機(jī)的外形初步設(shè)計(jì)中,可以拓展播種機(jī)外形的設(shè)計(jì)思路,是播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的一次跨界性設(shè)計(jì)的嘗試。

1 3D打印技術(shù)在藝術(shù)外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域也開始在3D打印方面進(jìn)行了很多嘗試性的探索,在時裝展上出現(xiàn)了不少3D打印的服裝和鞋子,如荷蘭設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的長滿“獠牙”的3D打印服裝風(fēng)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(shù)設(shè)計(jì)

采用3D藝術(shù)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(shù)色彩。3D打印技術(shù)可以使產(chǎn)品展示出完美的外形,又節(jié)省了設(shè)計(jì)開發(fā)的成本,可以獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等環(huán)境。如果將其使用在播種機(jī)的外形設(shè)計(jì)上,可以有效地提高播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的創(chuàng)意性,據(jù)此設(shè)計(jì)了基于3D打印技術(shù)的農(nóng)機(jī)零部件外形藝術(shù)設(shè)計(jì)平臺,其原理流程如圖2所示。

本次采用藝術(shù)外形試制的方式對播種機(jī)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行評價,然后通過修改達(dá)到客戶的需求。采用3D打印藝術(shù)設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)師不再局限生產(chǎn)方式,可以大膽創(chuàng)意,思維更加自由,可以實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的跨界合作,使播種機(jī)的外形設(shè)計(jì)更加豐富和多元化。

圖2 播種機(jī)外形3D打印藝術(shù)設(shè)計(jì)流程

2 播種機(jī)零部件藝術(shù)外形及其3D打印過程設(shè)計(jì)

與其他產(chǎn)品一樣,播種機(jī)的外形布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含了較多的心理感知意義,是審美價值創(chuàng)造的體現(xiàn)。播種機(jī)屬于三維實(shí)體模型,其外形設(shè)計(jì)需要考慮點(diǎn)線面加工工藝需求,通過添加藝術(shù)色彩,達(dá)到均衡對稱、穩(wěn)定輕巧、節(jié)奏韻律統(tǒng)一的實(shí)用性和審美效果。播種機(jī)屬于重型機(jī)械,利用剛性平面或者斜面的過渡可以突出其堅(jiān)實(shí)挺拔的外形,還要利用曲線的流線型構(gòu)造突出其速度感和現(xiàn)代美,給人渾厚圓潤的運(yùn)動氣息。

在以往的產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)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(fèi)時費(fèi)力,大大增加了設(shè)計(jì)周期和費(fèi)用。后來，人們發(fā)現(xiàn)借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以大大地提高設(shè)計(jì)效率,但沒有實(shí)體模型,只靠計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)效果無法凸顯個性化設(shè)計(jì)需求。而利用3D打印技術(shù),可以以較小的成本將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維模型打印實(shí)體模型來,并且可以考慮色彩等因素,完全可以滿足播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的個性化服務(wù)需求。

下面以播種機(jī)軸承座的3D打印設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)說明一下3D打印的模型設(shè)計(jì)過程和打印過程。首先可以利用CATIA軟件對軸承座模型進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)具體零件的大小和位置,設(shè)計(jì)三維實(shí)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(shí)現(xiàn)過程,需要對模型進(jìn)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(jìn)行分層處理后可以設(shè)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(zhuǎn)換為.stl格式的文件,這種格式的文件可以被打印機(jī)直接識別,其流程如圖5所示。

圖5 文件格式轉(zhuǎn)換

將文件格式轉(zhuǎn)換后,把切層保存的stl文件輸入到3D打印機(jī)里,便可以開始打印。根據(jù)3D打印的基本流程,設(shè)計(jì)了基于3D藝術(shù)打印的播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的基本流程框架,如圖6所示。

圖6 基于3D藝術(shù)打印的播種機(jī)外形設(shè)計(jì)流程

為了滿足播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的個性化需求,可以將使用軟件設(shè)計(jì)的播種機(jī)外形以小型樣機(jī)的形式打印出來,給播種機(jī)需求客戶帶來更加形象的外形展示體驗(yàn)。在進(jìn)行3D打印前首先需要將模型進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)合格后將待3D打印的模型進(jìn)行分層處理,然后進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換,利用3D打印機(jī)進(jìn)行模型打印,打印過程中還可以根據(jù)設(shè)計(jì)的顏色調(diào)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(jìn)行重新設(shè)計(jì),直到最后達(dá)到客戶的個性化需求。

3 基于CATIA和3D打印的播種機(jī)前蓋板藝術(shù)造型設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的3D藝術(shù)打印方法和流程,擬采用CATIA軟件對播種機(jī)前蓋板進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計(jì)后,采用3D打印機(jī)進(jìn)行打印。CATIA軟件最基本的功能就是零件設(shè)計(jì)功能,利用其創(chuàng)建實(shí)體功能,可以完成零件的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和鉆孔等,使用的工具條為Sketch-Based Features工具條。

曲面造型設(shè)計(jì)是播種機(jī)外形設(shè)計(jì)中最常用的功能之一,在CATIA軟件中有創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)和自由風(fēng)格曲面兩種功能模塊實(shí)現(xiàn)曲面的設(shè)計(jì),使用這兩種模塊可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的圓角、倒角和切線等常用曲線和曲面設(shè)計(jì),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(fù)雜的播種機(jī)外形結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)播種機(jī)前蓋板的藝術(shù)設(shè)計(jì)。

圖7表示一款新型的播種機(jī)。本次將對該款播種機(jī)的前蓋板進(jìn)行修改設(shè)計(jì),最主要的是曲面的設(shè)計(jì),曲面造型設(shè)計(jì)作為一種三維造型中的高級進(jìn)階技術(shù),而利用CATIA軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)各種曲線和曲面的構(gòu)型,如圖8所示。

圖7 播種機(jī)原型

圖8 播種機(jī)前蓋板軟件設(shè)計(jì)過程

利用CATIA軟件可以成功地實(shí)現(xiàn)前蓋板的各種曲線和曲面的創(chuàng)建,還可以對曲面外形進(jìn)行修復(fù)和填充等,實(shí)現(xiàn)前蓋板的藝術(shù)設(shè)計(jì)；最后，利用3D打印機(jī)打印出了前蓋板的外形,如圖9所示。

圖9表示采用3D藝術(shù)打印設(shè)計(jì)出來的播種機(jī)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(jī)前蓋板的色彩打印出來,得到了較為滿意的設(shè)計(jì)效果。

圖9 播種機(jī)前蓋板3D打印藝術(shù)設(shè)計(jì)效果

4 結(jié)論

為了豐富播種機(jī)外形設(shè)計(jì)的方法,提高外形設(shè)計(jì)的藝術(shù)性,將3D藝術(shù)打印技術(shù)引入到了播種機(jī)的零部件外形設(shè)計(jì)中,并采用CATIA軟件設(shè)計(jì)了前蓋板的三維模型,最后利用3D打印技術(shù)對前蓋板的模型進(jìn)行了打印。由設(shè)計(jì)效果可以看出：采用3D藝術(shù)打印技術(shù)不僅可以完成前蓋板曲面曲線等一系列設(shè)計(jì),還可以根據(jù)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的色彩直接調(diào)制出模型的顏色,在打印過程中生產(chǎn)顏色效果,使設(shè)計(jì)過程更加生動和接近實(shí)際。由于3D打印技術(shù)還并未成熟,也沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用,因此對3D藝術(shù)打印技術(shù)在農(nóng)機(jī)外形設(shè)計(jì)中推廣還有較長的路要走,相信在未來的設(shè)計(jì)中,跨界設(shè)計(jì)思想將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。