工業(yè)設(shè)計(jì)中快速成型技術(shù)的應(yīng)用

摘要：

工業(yè)設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的，藝術(shù)與技術(shù)相統(tǒng)一的學(xué)科。模型制作是產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程當(dāng)中，“設(shè)計(jì)創(chuàng)意產(chǎn)品化”的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，也是對設(shè)計(jì)創(chuàng)意合理性反復(fù)試驗(yàn)、論證和完善的過程。工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的近百年中，產(chǎn)品原型機(jī)的制作工藝也隨著大時(shí)代技術(shù)的發(fā)展而不斷革新。當(dāng)代產(chǎn)品原型機(jī)制作的工藝不在僅僅局限于包豪斯時(shí)期的技術(shù)方法，以CNC數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)為代表的快速成型技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

產(chǎn)品設(shè)計(jì) 產(chǎn)品原型機(jī) 快速成型技術(shù) CNC數(shù)控機(jī)床 3D打印機(jī)

中圖分類號：J506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：J

文章編號：1003-0069（2015）07-0145-04

Abstract：

The product design is the core of industrial design， and the art and technologyunifies the discipline. In the process of product design， model production as\"transformation from concept to product\" is a very important link， and alsoit is a process of designing originality rationality experiment， demonstrationand perfection. In the development of industrial design in nearly 100 years，the product prototypes developed with the era of technology innovation.Contemporary production process of product prototype is not limited in theTechnique of Bauhaus， and Computer numerical control and a 3D printer asthe representative of the rapid prototyping technology are widely used.

Keywords：

Product design Product prototype Rapid prototyping Computer numerical control 3D printer

工業(yè)設(shè)計(jì)（lndustrie Design），它是一門以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的，融合了科技、文化、藝術(shù)與經(jīng)濟(jì)等多領(lǐng)域的綜合學(xué)科。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，模型制作是產(chǎn)品原型試制與實(shí)驗(yàn)的過程。人們在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，最可靠的方法是對事物進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)。在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中也不例外，采用一種模型代替原型的方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)和論證，使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果更加完善。

1模型制作在世界工業(yè)設(shè)計(jì)史中的發(fā)展及意義：

1.1德國包豪斯學(xué)校倡導(dǎo)技術(shù)與藝術(shù)的新統(tǒng)一

包豪斯學(xué)校對于世界現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的影響是巨大的，其教學(xué)體系成為當(dāng)今世界工業(yè)設(shè)計(jì)教育的基礎(chǔ)。包豪斯的歷程其實(shí)就是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法誕生的歷程，也是在藝術(shù)和機(jī)械技術(shù)這兩個(gè)相去甚遠(yuǎn)的門類間搭建了橋梁的歷程；包豪斯將“設(shè)計(jì)意圖”融入到了手工產(chǎn)品當(dāng)中，將產(chǎn)品造型語言的手工制造與實(shí)驗(yàn)定義到了設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，這也正是當(dāng)代工業(yè)設(shè)計(jì)方法中，產(chǎn)品原型制作與實(shí)驗(yàn)的早期雛形。包豪斯倡導(dǎo)藝術(shù)與技術(shù)的新統(tǒng)一，它主張?jiān)O(shè)計(jì)師不僅僅要有藝術(shù)素養(yǎng)，還要有對材料、結(jié)構(gòu)、工藝的理解。

1.2注重設(shè)計(jì)制作實(shí)踐能力的培養(yǎng)

包豪斯的課程設(shè)置主要分為三個(gè)階段。第一階段是預(yù)科階段，由設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程，造型課和材料課組成。第二階段進(jìn)入到工作坊學(xué)習(xí)階段，有若干不同的工作坊可供學(xué)生選擇，金屬工作坊，木材工作坊，玻璃工作坊等。在這個(gè)階段，學(xué)生們在不同的工作坊里和各種基礎(chǔ)材料近距離接觸，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，了解材料的屬性，及其應(yīng)用于實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)的重要規(guī)則。在工作坊里沒有所謂的“教授”，只有“形態(tài)師傅”，他們精通各種材料的手工制作，在學(xué)生的制作實(shí)踐中去幫助他們提高對基礎(chǔ)材料和造型的認(rèn)識。在歷時(shí)三年的學(xué)習(xí)后，經(jīng)過考核合格后，學(xué)生們進(jìn)入到第三階段的學(xué)習(xí)。第三階段的學(xué)習(xí)為更加深入的專業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)階段，教師們由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的建筑師、設(shè)計(jì)師組成。德國包豪斯學(xué)校創(chuàng)立的技術(shù)與藝術(shù)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模式影響深遠(yuǎn)，包豪斯學(xué)校的教學(xué)模式一直被沿用至今，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)教育體系基本保留了包豪斯的課程設(shè)置和課程理念?！?/p>

2快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping， PR）在產(chǎn)品模型制作中的應(yīng)用：

快速成型（RP）技術(shù)是20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的一種高新制造技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品原型制作的工具不再局限于100年前包豪斯時(shí)代的手工工具。CNC數(shù)控機(jī)床，3D打印機(jī)等現(xiàn)代化模型制作設(shè)備的出現(xiàn)，對模型制作方法的發(fā)展帶來了積極的影響，使模型的制作更加快速，更加精準(zhǔn)。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意，利用快速成型技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中制作產(chǎn)品原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和論證，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)師必備的能力。RP技術(shù)較傳統(tǒng)的模型制作有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）可以通過RP技術(shù)術(shù)快速地生成可以看得見，摸得著的實(shí)體模型，便于設(shè)計(jì)階段的及時(shí)評估。（2）對于那些不能批量生產(chǎn)的零件，利用RP技術(shù)生產(chǎn)節(jié)約了材料和縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)的成本。（3）模具加工，用快速成形法可以制造塑料模以取代傳統(tǒng)木制仿形模，也可以生產(chǎn)精密讀高的鑄造用蠟?zāi)?。?）利用RP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的自由制造，適用于創(chuàng)新創(chuàng)意類產(chǎn)品的研發(fā)階段，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化創(chuàng)造條件?！?/p>

2.1快速成型技術(shù)制作產(chǎn)品模型的原理和流程

快速成型技術(shù)核心是由三維設(shè)計(jì)模型直接通過計(jì)算機(jī)軟件驅(qū)動快速成型?；陔x散、堆積成形原理，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的產(chǎn)品立體數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦分層離散處理后，把原來的三維數(shù)據(jù)變成二維平面數(shù)據(jù)，按設(shè)定的成形方法，將成形材料逐層加工，迅速、自動地物化成為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的三維實(shí)體模型或零件。

設(shè)計(jì)師在應(yīng)用快速成型技術(shù)制作模型時(shí)，（1）首先要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行模型搭建，例如：Rhino 3D造型軟件，設(shè)計(jì)師在三維軟件中獲得了比設(shè)計(jì)創(chuàng)意二維軟件呈現(xiàn)更清晰的空間造型感，并且設(shè)計(jì)師可以在三維軟件中對外觀造型進(jìn)行反復(fù)修改。設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)點(diǎn)就是具有很強(qiáng)大的曲面功能，能夠輔助設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)意表現(xiàn)；缺點(diǎn)就是由于三維設(shè)計(jì)軟件不具備實(shí)體概念，因此如果將三維設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床加工往往會出現(xiàn)模型質(zhì)量問題。（2）設(shè)計(jì)師在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意三維設(shè)計(jì)軟件表達(dá)后，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工程軟件中，例如Solidworks，PRO/E，UG，Mastercam等，進(jìn)行產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)的修正。（3）將修正過的模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)輸入到快速成型設(shè)備中進(jìn)行加工。目前，工業(yè)設(shè)計(jì)模型制作主要使用的快速成型設(shè)備是數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)。

2.2CNC數(shù)控機(jī)床制作產(chǎn)品原型

CNC數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control）的簡稱，是一種由程序控制的自動化機(jī)床。主要通過數(shù)字化信息控制刀具和毛坯的相互運(yùn)動，從毛坯上切除多余材料（即余量），從而獲得一定形狀和精度的零件。數(shù)控機(jī)床是由普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能加工復(fù)雜異形零件，具有良好的柔性、高精度和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

在數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)，首先根據(jù)圖紙分析零件的結(jié)構(gòu)外形，編制合理正確的程序，編程的代碼和指令格式需符合相應(yīng)的ISO及國家標(biāo)準(zhǔn)。然后通過DNC或者信息載體（如U盤）將所編制的程序輸入到數(shù)控機(jī)床中。再由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)不同程序內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的指令，由伺服系統(tǒng)中的電動機(jī)通過傳動裝置控制機(jī)床工作臺的運(yùn)動和速度，同時(shí)還控制機(jī)床的其他輔助運(yùn)動，如主軸啟動、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速設(shè)定，冷卻液啟停等。最終根據(jù)指令，使機(jī)床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削毛坯多余部分，從而加工出所需的零部件。如圖1：

數(shù)控機(jī)床種類很多，按工藝用途可分為：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控沖床、數(shù)控液壓機(jī)等各種用途的數(shù)控機(jī)床。在設(shè)備的選擇上，主要根據(jù)不同零件的形狀、精度，從而選擇符合加工要求的設(shè)備。如數(shù)控車床的主運(yùn)動為工件旋轉(zhuǎn)，更適合加工軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件；數(shù)控銑床、加工中心可加工復(fù)雜的三維零件。

產(chǎn)品原型數(shù)控加工的步驟通常如下，首先運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件對所要設(shè)計(jì)的模型及各部分零件進(jìn)行建模。完成建模后，將其以IGS的格式存檔，導(dǎo)入至可編制刀具路徑的軟件中，例如Mastercam、PROE、UG等。在編程軟件中，對所有模型零件的IGS文件進(jìn)行優(yōu)化處理。然后對加工的模型零件進(jìn)行技術(shù)分析，確定機(jī)床的選擇、裝夾的方式、毛坯的尺寸及加工工藝等。根據(jù)模型零件所選用的材料，從而確定刀具的型號、切削參數(shù)及合理的刀具路徑。一般編制刀具路徑時(shí)，主要分為粗加工和精加工。粗加工是以最高效率去切除毛坯余量，應(yīng)設(shè)置盡量大的切削深度和進(jìn)給量，以便在最少的時(shí)間內(nèi)切除更多的切屑。由于粗加工的切削量較大，從而會產(chǎn)生較大的震動，所以必須預(yù)留足夠余量。精加工是對粗加工后剩余的余量進(jìn)行切削處理，主要提高主軸轉(zhuǎn)速，降低進(jìn)給量和吃刀量，以保證最終的尺寸和表面粗糙度。刀具路徑編制完成后，通過后處理方式，將刀路轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床識別的NC程序文件，然后使用信息載體或者DNC直接傳輸至數(shù)控機(jī)床。最后在數(shù)控機(jī)床上對裝夾好的毛坯進(jìn)行工件坐標(biāo)系的建立后，便可進(jìn)行自動化的加工。

數(shù)控機(jī)床制作產(chǎn)品模型案例：自行車頭盔設(shè)計(jì)（圖2）

將設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行建模（圖3）

數(shù)控機(jī)床加工完成的模型零部件，進(jìn)行后期競答細(xì)磨噴漆（圖4）

將精細(xì)打磨噴漆處理后的模型零部件進(jìn)行組裝，模型制作完成。

2.3 3D打印機(jī)制作產(chǎn)品原型

2.3.1 3D打印機(jī)運(yùn)行原理

3D打印機(jī)制作產(chǎn)品原型，是一種累積制造技術(shù)，也是快速成型技術(shù)的一種。軟件通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，運(yùn)用特殊可黏合材料，通過打印一層層的黏合材料來三維數(shù)據(jù)進(jìn)行物化。3D打印快速成型技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新的制模技術(shù)，它涉及、技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、技術(shù)、測試傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，是各種高技術(shù)的綜合應(yīng)用。由于三維打印快速成型技術(shù)的突出優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，已成為工業(yè)設(shè)計(jì)模型制作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3D打印機(jī)堆疊薄層的形式有多種多樣。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料，堆疊薄層的形式有多種多樣，可用于打印的介質(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，將會顛覆這一生產(chǎn)思路，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 3D打印機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

當(dāng)今市場產(chǎn)品更新非常快，生產(chǎn)廠商都在盡量壓縮新品研發(fā)周期，因此在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段應(yīng)用3D打印機(jī)可以大大縮短研發(fā)周期。在一項(xiàng)相關(guān)調(diào)查中，17%的被調(diào)查產(chǎn)品，其原型制作消耗相當(dāng)長的時(shí)間，是縮短上市時(shí)間的最大障礙。原型測試階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用產(chǎn)品原型進(jìn)行性能測試和嚴(yán)格的工程評估，及早反饋設(shè)計(jì)缺陷，從而盡可能規(guī)避產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。采用3D打印技術(shù)可大大縮短產(chǎn)品原型的制作時(shí)間。

2.3.3 3D打印機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程

3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的過程是：首先通過計(jì)算機(jī)軟件對產(chǎn)品創(chuàng)意進(jìn)行三維建模，從而獲得目標(biāo)原型的概念，并以此建立數(shù)字化描述的模型。之后經(jīng)過圖形修補(bǔ)軟件對數(shù)字模型進(jìn)行一定的修補(bǔ)，將三維虛擬實(shí)體表面轉(zhuǎn)換為用一系列三角面片逼近的表面，生成面片文件如STL.文件等，然后根據(jù)不同的快速成型工藝對文件進(jìn)行處理，對層片文件進(jìn)行檢驗(yàn)或修正，最后通過3D打印快速成型機(jī)控制材料有規(guī)律地、精確地疊加起來堆積而成一個(gè)三維實(shí)體制件，從而完成模型的快速成型制作。3D打印機(jī)加工完成模型所有零部件后，還要對零部件進(jìn)行后期的手工精細(xì)打磨、噴漆，最后將所有零部件參照設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行裝配，模型就制作完畢了。

相較于CNC數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品模型，3D打印機(jī)加工的模型在表面精度和加工時(shí)間上都具有明顯優(yōu)勢。3D打印機(jī)的產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性以及幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)制模方法無法比擬的。

3D打印機(jī)制作產(chǎn)品模型案例：海釣釣魚稱（圖5）

將設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維軟件中轉(zhuǎn)化為模型數(shù)據(jù)。（圖6）

將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)中，完成模型零部件的加工。（圖7）

對所有零部件進(jìn)行精細(xì)手工打磨，并最終按照設(shè)計(jì)意圖噴漆上色。（圖8）

產(chǎn)品原型機(jī)制作是工業(yè)設(shè)計(jì)流程中不可或缺一個(gè)環(huán)節(jié)，是論證設(shè)計(jì)創(chuàng)意是否合理的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代快速成型技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，使產(chǎn)品原型機(jī)制作的速度和精度都大大提高了，確保了設(shè)計(jì)創(chuàng)意論證的準(zhǔn)確性。隨著科技的發(fā)展，將會有更多的新技術(shù)新材料被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工業(yè)設(shè)計(jì)不僅要保持設(shè)計(jì)創(chuàng)意的創(chuàng)新性，還要保持設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的先進(jìn)性，使工業(yè)設(shè)計(jì)流程更加完善。

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