基于3D打印技術的外賣配送車設計

長安大學 趙濤 劉建華（通信作者）

1 3D打印技術概述

1.1 3D打印技術的種類

目前主流的3D打印技術根據選用的材料和成型工藝的不同，可以分成熔融沉積技術（FDM）、液態(tài)光敏樹脂選擇性固化技術（SLA）、粉末材料選擇性燒結技術（SLS）等幾種類型。熔融沉積技術成本低，不產生有毒物質，但加工精度較低，零件較為粗糙。液態(tài)光敏樹脂選擇性固化適合加工結構復雜且體積小、造型精細的產品，其形成過程在自動化的環(huán)境中進行，表面處理精度高、尺寸誤差小[1]。粉末材料選擇性燒結技術可以使用的材料更加廣泛，金屬與陶瓷都能成為打印材料，其成型的時間短、精度高，在產品設計領域運用較廣[2]。

1.2 3D打印技術的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)制造技術，3D打印技術的最大優(yōu)勢是能對錯誤進行快速修改、降低開發(fā)成本、提高生產效率[2]?，F(xiàn)有的3D技術完全可以滿足生產零件的強度與精度。這種增材制造技術通過三維CAD設計數(shù)據，將復雜零件三維復雜的不規(guī)則曲面、鏤空異形結構，轉化為簡單的平面結構進行成型，突破了傳統(tǒng)加工技術的壁壘，也為產品創(chuàng)新設計提供了新的思路。相比于傳統(tǒng)制造需要對單個零件進行加工，3D打印技術可一次成型，無論其復雜程度都能一體成型，同時滿足密封性要求。其次研發(fā)的成本對比傳統(tǒng)制造的成本下降了95%，研發(fā)的周期也要比傳統(tǒng)制造周期短。

2 外賣配送車設計的現(xiàn)狀

2.1 外賣配送車的種類

外賣所用電動車主要劃分為純電動兩輪車、純電動汽車兩大類。目前市面上主流的外賣配送方式為純電動兩輪車配送，以及少部分非法改裝的電動兩輪車。此類電動兩輪車的規(guī)格如下，價格區(qū)間為1500—5500元，所能承載人數(shù)為1到2人。整車重量限重以電動自行車車體（不含電池組）重量不超過40 kg為標準，或者包含電池組的重量為50—60公斤。最高時速不大于50 km/h。整車材質為塑料與金屬材料，由這些材料所構建的電動車質量輕、體積小，較為輕便快捷[3]。但是這些車沒有堅固的框架材料保護。在外賣員進行配送的過程中，一旦發(fā)生交通事故，此類電動兩輪車所能提供的防護不足，安全系數(shù)較低，無法為外賣員提供有效的保護。此外，這些車普遍具有較為開放的駕駛空間，因此在進行外賣配送時，在與人群較為密切地接觸外賣配送員和外賣下被污染的可能性較大。且這些純電動兩輪車防風、防水、防塵性能較差，易受到惡劣天氣的影響，也可能會造成外賣送到顧客手上已經變冷及口感變差等情況。

2.2 外賣配送車主要部件的功能

車身框架分為兩種，即金屬框架與非金屬框架。并對兩種框架所能提供的作用與具體屬性進行分析。

純電動兩輪車普遍使用非金屬框架，框架強度較低、質量輕，具備一定的防護功能，如防碰撞、保護內部元器件、防水等。輕便的車體靈活度較高，因此很多外賣員選擇這一類車穿梭于城市的大街小巷，若這類車發(fā)生事故，非金屬材質框架無法提供足夠的防護。

關于輪胎方面，對純電動兩輪車與純電動汽車進行綜合考慮。由于輪胎市場相關法律法規(guī)的不完善性，以及巨大的市場需求，各類生產廠家紛紛涌入市場。受到不同廠家工藝流程、生產設備，以及制作人員操作等多種因素的影響，輪胎生產的質量得不到管制，因此其各種屬性也無法得到保證[3]。除生產因素影響之外，日常使用所產生的磨損也是損害輪胎的主要原因。電動類車輛與傳統(tǒng)燃油車輛在動力系統(tǒng)上的不同也會導致汽車在啟動過程中對輪胎的磨損程度有所差異。

純電動兩輪車的駕駛艙為半開放式駕駛艙，操作視野廣，操作難度低，一般情況下不配備擋風設施或周邊防護設施，但某些外賣員私自進行改裝，在原有基礎上添加了塑料蒙皮。雖然可對沙塵、雨水等進行一定的防護，但會增大行進過程中的風阻，破壞電動兩輪車的整體平衡，無形中增大了交通事故發(fā)生的概率[4]。

市面上電動汽車的駕駛艙為封閉式空間，外賣員在進行駕駛時可根據自己的需要進行座椅傾斜角度調整，正下方配備安全氣囊，發(fā)生交通問題時可對外賣員進行有效的保護。擋風部分為車窗，其材質主要為夾層玻璃或鋼化玻璃，前者將塑料的強韌性和玻璃的堅硬性結合在一起，增加了玻璃的抗破碎能力。后者是指在受到沖擊破碎時，玻璃會分裂成帶鈍邊的小碎塊，對乘員不易造成傷害。

3 基于3D打印技術的外賣配送車設計意義

3.1 使造型更美觀

3D打印技術還能賦予了產品獨特的藝術風格[5]，可結合所設計產品的外觀特點，按照其基層質量均勻的要求，通過逐層堆積及紋路打印，對產品獨特的藝術風格進行充分展現(xiàn)，給人們帶來視覺上的沖擊及精神上的愉悅。將3D打印技術與外賣配送行業(yè)相結合，不僅可以提高打印產品的裝飾性能，還可以為產品賦予獨特的造型美感，使造型更具美觀性。

3.2 提高設計精度

在進行市場調研后需要進行相應草圖及效果圖的繪制，傳統(tǒng)的產品設計需要進行手板的繪制來進一步驗證產品的不足與缺陷，并針對相應的缺陷進行改進，直到達到某一標準。但這一煩瑣的過程需要耗費大量的時間和精力，制作的過程相對而言比較復雜，除此之外還需要考慮在進行糾錯的過程中出現(xiàn)較大的精度誤差。3D打印技術則沒有這一弊端，在產品的設計過程中可直接在模型上進行修改，提高設計精度，提升生產效率[6]。

圖 1 意象采集

圖 2 前艙蓋打開示意圖

圖 3 輪胎創(chuàng)新設計

圖 4 外賣驛站草圖

圖 5 外賣配送車最終設計

圖 6 外賣驛站示意圖

3.3 可實現(xiàn)一體化成型

利用3D打印技術對電動汽車的框架進行設計，可實現(xiàn)一體化成形[7]。這種技術不需要依靠模具，縫隙出現(xiàn)的可能性較小，相比于傳統(tǒng)技術的模塊化制造再組裝，密封性有著顯著性提升。在3D打印技術的支持下可實現(xiàn)大批量的標準化制造，以快速填補市場空白，服務于目標用戶。

4 基于3D打印技術的外賣配送車設計思路

4.1 框架設計

在3D打印技術大力發(fā)展的背景下，賦予電動汽車以外賣配送的職能，從而對外賣車進行框架設計時應滿足如下功能：賦予外賣員舒適方便的駕駛體驗，滿足交通事故發(fā)生時對外賣員的保護，滿足高強度的健康安全防護要求。因此，在選擇3D打印車身框架及相關輔助設計時，應首先滿足安全性能，最終所呈現(xiàn)出的框架應具有較強的剛度與抗拉強度。在交通安全發(fā)生時，對外賣員的保護應該從兩個方面來實現(xiàn)，滿足整車的輕量化設計（主要是車身框架）與足夠強度的駕駛艙設計。

4.2 材料設計

在車身框架材料的選擇上考慮輕便且具有足夠強度的材料，如鋁鎂合金，鎂合金的延展性較強，抗拉強度與抗疲勞強度比較出色，鋁合金的吸能性較好，在發(fā)生碰撞時能有效保護外賣員的安全，而且同等體積的質量比鋼材小很多。鎂是比鋁質量更輕的金屬材料，鎂合金具有質量輕、易加工、強度較高等優(yōu)點，適用于外賣車的框架制造。

此外，部分非金屬材料如碳纖維等材料也可用于3D打印，其軸向強度和模量高，密度低、比性能高，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好。因此，在駕駛艙設計時可考慮應用碳纖維，由碳纖維制造的單碳纖維座艙重量更輕、剛性更強。使用這種駕駛艙可以大大減輕外賣車的自重，大大提高車身的剛性，在發(fā)生嚴重碰撞事故時，可以保護駕駛員防止其受傷，并且這種材料在賽車領域有著廣泛的應用。在進行外賣車駕駛艙設計的同時應考慮人體尺寸，在設計駕駛艙時納入人機工程學理論，期盼能夠通過應用人機工程學進行外賣車駕駛艙設計，以改善駕駛的舒適性[8]。

4.3 輪胎設計

對輪胎進行設計時應最小化滾動阻力，通過對輪胎進行再設計以維持電池使用壽命，最大限度地提高汽車續(xù)航里程，并減少對環(huán)境的影響。輕量化輪胎技術，通過3D打印技術在整個制造過程中減少原材料的使用，從而減輕輪胎質量，同時通過創(chuàng)新胎面花紋、更大的輪胎直徑、高充氣壓力和纖薄設計降低輪胎滾動阻力[9]。極低的輪胎滾動阻力代表著在電池的搭配上有著更多的選擇。通過搭載輕量化電池，可幫助車輛進一步延長續(xù)航里程，減小汽車自身的質量。

4.4 配送餐盒設計

在進行外賣配送餐盒設計的同時應結合3D打印技術進行具體分析。配送過程外賣包裝毒性分解危害人體健康，塑料包裝污染環(huán)境，溫度流失口感差，這些都是需要解決的問題。進行設計時可將配送餐盒納入車體內部，同時預留出可容納外賣餐盒的空位，再進行外賣配送將外賣餐盒放入其中，到達地點后取出外賣。

針對市面上流行的塑料包裝盒和一次性發(fā)泡包裝盒會污染環(huán)境及對人體健康存在潛在威脅的情況，可利用3D打印技術進行制式設計，即批量化生產塑料餐盒，配備相應的回收體系，通過外賣盒的回收給予顧客額外的折扣[10]。

5 基于3D打印技術的外賣配送車設計實踐

5.1 設計定位

進行相關調研后可發(fā)現(xiàn)本產品的主要用戶為外賣員，在進行優(yōu)化設計時需要考慮用戶人群的使用特征，需要具備一定的電動汽車操作能力，對城市街道有一定的了解，熟悉電動汽車的續(xù)航性能及所需的維修養(yǎng)護等。

5.2 設計思路

首先，在進行設計前需明確設計思路：整車質量輕，車身滿足剛度及強度的需求，能為外賣員提供較安全的駕駛操作空間，保證所配送的外賣的溫度與口感。即以3D打印材料進行制造時應滿足安全性（車身）、保溫性（外賣餐盒）。其次，在滿足設計要求的同時盡可能賦予其基于3D打印技術的美學特征。此外，該車需與外賣餐盒進行配合以實現(xiàn)外賣配送模式的升級。

5.2.1 造型風格設計

根據上述目標，在設計前需進行意象采集工作，從意象圖中進行相關思維靈感的獲取。再進行總結提煉以獲取目標需求，進而明確總體造型的特點，如圖1所示。意象中的圖案為與蜂巢類似的網格化圖案，并由此對整體造型風格進行命名D—F—Grid，意義為設計流暢的形體，并帶有柵格化、網格化的特點。

5.2.3 駕駛艙設計

設計時考慮到外賣員需要安全、封閉的操作空間，因此駕駛艙采用一體化成形，不設立車門與車窗，在外賣員需要進入時，前半段駕駛艙自動打開，待外賣員進入后駕駛艙關閉。在內飾方面則以駕駛艙設計為主，結合人機工程學，駕駛座椅整體采用環(huán)繞式設計，合理的按鍵布局能有效降低外賣員操作失誤的可能性。在車身外部可進行圖案的繪制并進行自由的繪制，以體現(xiàn)不同企業(yè)的企業(yè)文化。圖2為外賣車前艙蓋打開示意圖，外賣員在送到指定地點后再下車，此時駕駛艙閉合，待外賣員將外賣放入指定部分后，駕駛艙打開，外賣員進入車輛。

5.2.4 輪胎設計

在輪胎的設計上，通過創(chuàng)新胎面花紋、增大輪胎直徑、增大輪胎內部的充氣壓力及降低輪胎的厚度，以纖薄設計的方式降低輪胎滾動阻力，進而更好地降低輪胎磨損度，延長輪胎使用壽命的同時提升配送效率，文章給出了三種設計方案。至于具體選擇，可根據用戶所需采取適配選項，如圖3所示。

5.2.5 外賣驛站設計

圖4為外賣驛站草圖，外賣員于A側放入餐盒，此時外賣餐盒沿內部消毒通道緩慢移動，消毒完畢后到達B側，等待被領取。該外賣驛站可作為中介對外賣進行安全存放，也可作為顯眼的標志便于消費者發(fā)現(xiàn)外賣[11]。

5.3 設計呈現(xiàn)

經過相關分析，文章選擇對A方案進行完善，第二版以A為主體進行多元化設計。明確外賣車的尺寸，整車的高度為160 cm，長200 cm，最大寬度為120 cm，軸距為160 cm。對外賣車的后半段儲存?zhèn)}進行類蜂巢式設計，后半段車身的一個個小凹槽即為儲存?zhèn)}，可容納外賣盒，并滿足外賣餐盒的多種需求。該車的前擋風玻璃采用大面積夾層鋼化玻璃，為外賣員提供良好的視野，不易發(fā)生交通事故，若發(fā)生交通事故，在受到沖擊破碎時，玻璃會分裂成帶鈍邊的小碎塊，飛濺的玻璃碎片也不會對乘員造成過大的傷害。后部分車體與外賣餐盒的材料均為pp塑料，比較環(huán)保，易降解、無毒。在產生出的四個衍生品A1—A4中選擇A1為最終版，如圖5所示。

如圖6，為外賣驛站示意圖，該驛站可對外賣進行臨時存放，其配備的隔熱材料與內部保溫燈可最大程度上維持食物的恒溫，在進行配送的途中給予食物最佳的口感。

6 結語

文章通過對現(xiàn)有的外賣配送車的種類及優(yōu)缺點進行分析，以3D打印技術為支撐，對外賣車實現(xiàn)升級。文章旨在實現(xiàn)外賣配送車的再設計，提高配送效率的同時實現(xiàn)規(guī)范化、安全化。通過3D打印技術對外賣餐盒進行升級完善，使之滿足上述要求。確定設計方向與設計理念之后，從諸多設計方案中挑選出最適合的方案，并對該方案進行優(yōu)化設計，經過不斷地完善與修改最終得到結果。