李變霞

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視精神生活，尤其是對(duì)所使用的工業(yè)產(chǎn)品，不僅僅要求產(chǎn)品的舒適性、實(shí)用性和性價(jià)比，還要求產(chǎn)品的美觀度以及視覺的獨(dú)特體驗(yàn)，因此，在這樣的時(shí)代背景下，所設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品，需要更重視產(chǎn)品的裝飾性品類、造型以及產(chǎn)品整體的美觀度[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，從知識(shí)工程、認(rèn)知科學(xué)、設(shè)計(jì)心理學(xué)、工程技術(shù)等多個(gè)角度，研究了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)[3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品造型方面，采用了產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題演化的空間模型、產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)、外觀創(chuàng)新型知識(shí)框架模型、交互式繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)等產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)技術(shù)[4-6]。國(guó)外學(xué)者在設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品造型方面，采用了模糊規(guī)則、粗糙集理論等推理用戶需求與產(chǎn)品造型之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用多維曲面法，衡量用戶審美偏好維度。尤其是對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變量和感官變量的探索，采用回歸分析、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)理論、外觀吸引力綜合模型等技術(shù)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)映射機(jī)制，研究產(chǎn)品形式與顏色的組合，驗(yàn)證組合效果[7-10]。但是，綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品，僅考慮了產(chǎn)品的外觀，未曾研究設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品制作的精度、粗糙度和速度，以及在制作的過程中存在的返工率。為此將3D打印技術(shù)，引入工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降低工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高工業(yè)產(chǎn)品表面質(zhì)感，為此進(jìn)行基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究。

1 研究基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

1.1 建立工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)

目前的工業(yè)產(chǎn)品都需要經(jīng)過零件的拼接，才能完成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[11]。所以此次研究基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，將通過所建立工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊，提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。此次設(shè)計(jì)如圖1所示的產(chǎn)品模塊，具有獨(dú)立的特定功能、若干配合面和互換性等特征，可以有效降低工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本。

此次設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)，選擇了個(gè)功能相似，零件功能和性能基本相同的產(chǎn)品，作為此次工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)圖，并將3個(gè)產(chǎn)品，分為6個(gè)模塊，10個(gè)零件，每個(gè)產(chǎn)品3個(gè)模塊，3個(gè)零件，以表示工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖1 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，產(chǎn)品之間的模塊以及模塊之間的零件都存在一定的交叉性，可以按照功能和性能進(jìn)行組合和互換，形成新的產(chǎn)品，因此，只需要盡可能保持交互關(guān)系最小化，就能最大化降低產(chǎn)品零件組裝難度，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊間的交互，最終實(shí)現(xiàn)提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、降低工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本的目的。

基于圖1所示的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品模塊化步驟，如下：

Step1.分析市場(chǎng)對(duì)將要設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品需求以及功能要求；

Step2.根據(jù)分析結(jié)果，確定工業(yè)產(chǎn)品模塊大致結(jié)構(gòu)；

Step3.確定如圖1所示的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)，并根據(jù)圖1所示的模塊結(jié)構(gòu)，劃分將要設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品模塊；

Step4.根據(jù)產(chǎn)品功能、性能、結(jié)構(gòu)等特征，組合已經(jīng)劃分好的工業(yè)產(chǎn)品模塊；

Step5.按照設(shè)計(jì)好的工業(yè)產(chǎn)品模塊，設(shè)計(jì)產(chǎn)品；

Step6.根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品需求，采用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品樣式；

Step7.計(jì)算工藝產(chǎn)品參數(shù)，如原料尺寸、半成品標(biāo)準(zhǔn)、3D打印技術(shù)參數(shù)等，完成零件制作工作；

Step8.按照步驟4所示的零件組合步驟，組裝產(chǎn)品模塊，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1.2 計(jì)算產(chǎn)品工藝參數(shù)

根據(jù)上一章節(jié)設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)步驟，計(jì)算工業(yè)產(chǎn)品的樣式打印技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)、原材料參數(shù)，其過程如下所示。

1.2.1 計(jì)算3D打印技術(shù)參數(shù)

3D打印技術(shù)參數(shù)，包括層高參數(shù)和噴頭內(nèi)徑、擠出速度和打印速度。在打印過程中，如果沒有設(shè)置好層高和噴頭內(nèi)徑參數(shù)，則會(huì)影響工業(yè)產(chǎn)品的表面精度。3D打印技術(shù)的層高參數(shù)和噴頭內(nèi)徑參數(shù)，相互影響，內(nèi)徑大小會(huì)直接影響到噴頭出絲的粗細(xì)，且層數(shù)值越大，越可能出現(xiàn)階梯現(xiàn)象，如圖2所示。

(a)

圖2中，ΔS表示3D打印技術(shù)理論和實(shí)際外表面存在的誤差；h表示3D打印技術(shù)的層高；H表示加工件總高度；H1和H2分別表示加工件不同層次的高度；β和γ表示不同層次高角度；α表示加工件截面的底角；L表示工業(yè)產(chǎn)品面板[12]。

將當(dāng)前的工業(yè)產(chǎn)品，按照基本形狀分類，可以分成如圖2(a)所示的直線型和圖2(b)所示的圓弧型兩種?；趫D2所示的解體現(xiàn)象，確定圖2(a)每層截面的缺失面積如式(1)所示。

(1)

從公式中(1)可以看出，當(dāng)加工件截面的底角α不變時(shí)，每層截面的缺失面積ΔS也不變，所以在制作工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，其產(chǎn)品為圖2(a)所示的形狀時(shí)，底角大小確定后，就可通過層高值確定噴頭內(nèi)徑值。當(dāng)工業(yè)產(chǎn)品表面為圖2(b)的形狀時(shí)，則每層截面的缺失面積如式(2)所示。

(2)

公式(2)中，μ表示無(wú)量綱的比例因子[13]。當(dāng)3D打印技術(shù)的打印空間在長(zhǎng)15cm、寬15cm、高15cm時(shí)，比例因子μ的取值范圍在[10,20]之間。

根據(jù)上述分析過程，即可確定3D打印技術(shù)的層高和噴頭內(nèi)徑參數(shù)。

3D打印技術(shù)的擠出速度和打印速度參數(shù)會(huì)影響工業(yè)產(chǎn)品成品成形時(shí)間、成形效果，所以需要分析擠出速度和打印速度兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，其關(guān)系式如下所示。

(3)

公式(3)中，V1表示打印速度參數(shù)；V2表示擠出速度參數(shù)；C、C1、C2表示比值參數(shù)，為固定值[14]。根據(jù)(3)式，即可確定擠出速度和打印速度參數(shù)值。

1.2.2 材料尺寸參數(shù)

材料尺寸需要根據(jù)設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品外形，確定材料尺寸參數(shù)，且在設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品材料尺寸的過程中，需要統(tǒng)一工業(yè)產(chǎn)品材料尺寸規(guī)格，確定設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品規(guī)格種類數(shù)目，提高產(chǎn)品模塊零件的互換性。

由于此次采用的組合形式設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品，存在一定的組合縫隙，此時(shí)需要根據(jù)配件的位置、縫隙設(shè)計(jì)不同的尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品存在凹槽的零件，需要根據(jù)凹槽作用，設(shè)計(jì)凹槽尺寸，且凹槽的規(guī)格和種類盡量統(tǒng)一。

1.2.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

工藝參數(shù)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，嚴(yán)格按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程執(zhí)行，并注意環(huán)境問題。且在封裝時(shí)，需要注意相關(guān)物品清點(diǎn)及存放，并為產(chǎn)品設(shè)置相應(yīng)的代號(hào)、圖形標(biāo)簽等。由于工業(yè)產(chǎn)品種類眾多，所以在此不做詳細(xì)敘述。

1.2.4 半成品標(biāo)準(zhǔn)

為了提高工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，制作半成品。圖紙需要全面、精準(zhǔn)，且符合零件設(shè)計(jì)規(guī)格和材料設(shè)計(jì)尺寸。

1.3 設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品

將上述計(jì)算的工業(yè)產(chǎn)品參數(shù)，全部帶入上述的工業(yè)產(chǎn)品模塊化步驟中，采用上一章節(jié)確定的3D打印技術(shù)工藝參數(shù)，根據(jù)如圖3所示的3D打印技術(shù)原理圖，在設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品零件上，打印設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品花紋和造型，即完成工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)[15]。

圖3 3D打印技術(shù)原理圖

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)過程，將所設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品零件進(jìn)行組裝，即完成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其組裝過程如下：

Step1.分析此次設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品每個(gè)模塊的功能；

Step2.選擇產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要的模塊；

Step3.確定工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)而確定組合模塊方案(層疊式、嵌套式、裝架式、拼裝式)；

Step4.查看零件組裝成果，完成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，選擇工業(yè)產(chǎn)品中的家具作為此次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，利用ANSYS ICEM CFD模擬軟件，進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模擬，驗(yàn)證此次研究的基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的有效性。將此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，記為實(shí)驗(yàn)A組；并將兩種傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，分別記為實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組。確定工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸測(cè)量工具和計(jì)算公式，對(duì)比三組設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品的效果、尺寸誤差和精度誤差。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

基于此次實(shí)驗(yàn)，選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其成品樣式如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象成品圖

從圖4可以看出，此次實(shí)驗(yàn)選擇的工業(yè)成品——紅木座椅，存在多處繁雜花紋，整體造型大方美觀，細(xì)節(jié)精致，做工精細(xì)，可以滿足此次實(shí)驗(yàn)需求。

采用ANSYS ICEM CFD模擬軟件，作為三組方法的設(shè)計(jì)軟件，完成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行環(huán)境，如表1所示。

表1 模擬軟件運(yùn)行環(huán)境

基于上述設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將紅木椅各部件(椅背、扶手、凳子腿、凳面、支撐桿)厚度設(shè)為6mm，椅子整體高度為450mm，椅背高度為630mm，椅面寬度為460mm。將3D打印機(jī)的打印速度設(shè)備設(shè)置為40mm/s，分層厚度(打印每一層實(shí)體的厚度)為0.2mm，打印機(jī)的噴頭溫度為210～240℃，打印填充率為100%，是實(shí)心花紋；打印填充率為0%時(shí)，是空心花紋。

基于圖4所示的實(shí)驗(yàn)對(duì)象成品圖，此次打印紅木椅空心花紋2處，位于兩側(cè)扶手下面；實(shí)心花紋11處，位于椅背和椅面下。

基于上述設(shè)備的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)比三組方法設(shè)計(jì)效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 設(shè)計(jì)效果對(duì)比

基于此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，采用三組方法，分別在ANSYS ICEM CFD模擬軟件中完成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)比三組方法所設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品的效果，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果圖

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)B組設(shè)計(jì)的紅木椅，其椅背處的花紋，存在明顯斷痕，影響椅子整體美觀；實(shí)驗(yàn)C組設(shè)計(jì)的紅木椅，椅子上的花紋，雖然完整無(wú)缺，但是椅子整體設(shè)計(jì)，粗糙感較強(qiáng)，未曾體現(xiàn)出紅木椅的精細(xì)和圓潤(rùn)；實(shí)驗(yàn)A組設(shè)計(jì)的紅木椅，椅身花紋完整，整體圓潤(rùn)，不見毛糙。由此可見，此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的紅木椅，花紋清晰度高，粗糙度低，與產(chǎn)品成品效果一致。

2.2.2 測(cè)量尺寸誤差

基于第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量圖5所示的三組方法，設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品結(jié)果，以椅子靠背和椅面銜接點(diǎn)為中心，建立坐標(biāo)系(x,y,z)如圖6所示。

圖6 紅木椅坐標(biāo)系

沿著x軸、y軸和z軸三個(gè)方向，采用通用尺寸測(cè)量?jī)x器—游標(biāo)卡尺，分別測(cè)量三個(gè)方法設(shè)計(jì)紅木椅的尺寸，以及圖4所示的紅木椅實(shí)際產(chǎn)品尺寸，記錄三個(gè)方向上的尺寸，為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，每組方法設(shè)計(jì)的紅木椅尺寸，都在三個(gè)方向上，測(cè)量10次紅木椅尺寸，并計(jì)算三組設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的紅木椅與紅木椅實(shí)際產(chǎn)品在三個(gè)方向上的相對(duì)誤差，其測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。

圖7 三個(gè)水平方向尺寸誤差

從圖7中可以看出，實(shí)驗(yàn)B組設(shè)計(jì)的紅木椅，三個(gè)方向上的相對(duì)誤差最大；實(shí)驗(yàn)C組計(jì)的紅木椅，三個(gè)方向上的相對(duì)誤差，雖較實(shí)驗(yàn)B組小，但是依然超過2.6%；只有實(shí)驗(yàn)A組，設(shè)計(jì)的紅木椅，三個(gè)方向上的相對(duì)誤差，一直小于1.0%。由此可見，此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的紅木椅，在x軸、y軸和z軸三個(gè)方向產(chǎn)生的相對(duì)尺寸誤差小，不會(huì)影響紅木椅的尺寸精度。

2.2.3 測(cè)量表面精度誤差

基于第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如圖5所示的虛擬設(shè)計(jì)圖，測(cè)量三組方法設(shè)計(jì)的紅木椅表面精度，其計(jì)算公式如下：

(4)

公式(4)中，ΔS表示紅木椅表面精度誤差(mm2)；μ表示無(wú)量綱的比例因子；h表示紅木椅需要加工層高(mm)。

采用通用尺寸測(cè)量?jī)x器—游標(biāo)卡尺，測(cè)量紅木椅的面積、加工層高和總高度，并將其作為本組實(shí)驗(yàn)的計(jì)算數(shù)據(jù)。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，每組數(shù)據(jù)測(cè)量6次，根據(jù)(4)式計(jì)算三組紅木椅表面相對(duì)精度結(jié)果，并求取6次測(cè)量精度誤差平均值，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 表面相對(duì)精度誤差(mm2)

從表2中可以看出，實(shí)驗(yàn)C組設(shè)計(jì)的紅木椅表面精度誤差最大，較實(shí)驗(yàn)A組表面精度誤差均值高了2.458mm2，較實(shí)驗(yàn)B組表面精度誤差均值，高了0.999mm2；而實(shí)驗(yàn)B組設(shè)計(jì)的紅木椅表面精度誤差，雖較實(shí)驗(yàn)C組小，但是較實(shí)驗(yàn)A組表面精度誤差均值，高了1.459mm2。由此可見，此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的紅木椅，表面精度誤差小，且維持在1.0mm2以下，表面粗糙度較低。

綜合上述三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的紅木椅，花紋清晰度高，表面精度誤差小，在x軸、y軸和z軸三個(gè)方向，產(chǎn)生的相對(duì)尺寸誤差小，且誤差都維持在1.0以下，與產(chǎn)品成品效果一致，所以，此次設(shè)計(jì)的紅木椅表面粗糙度較低，不會(huì)影響紅木椅的尺寸精度。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此次研究工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，充分利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品造型，打印工業(yè)產(chǎn)品圖案，提高工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度。但是，此次研究的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，未曾考慮設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品時(shí)所選擇的產(chǎn)品設(shè)計(jì)原材料對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果影響。因此在今后的研究中，還需深入研究工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，考慮產(chǎn)品材料性質(zhì)，提高工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)等效應(yīng)力，進(jìn)一步提高工業(yè)產(chǎn)品的實(shí)用性。