結(jié)合增材制造思維的正向設(shè)計(jì)案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國(guó)內(nèi)普遍將3D打印應(yīng)用于產(chǎn)品的原型階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)并沒(méi)有根據(jù)3D打印的特點(diǎn)發(fā)生改變，而在應(yīng)用的更高層次，包括“零部件組合優(yōu)化” 、 “拓?fù)鋬?yōu)化工業(yè)再設(shè)計(jì)” 、以及以“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”為代表的DfF(面向功能實(shí)現(xiàn))的全新設(shè)計(jì)，可以稱為“以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)”，是一種面向正向設(shè)計(jì)體系的思維和能力。這種能力是中國(guó)工業(yè)未來(lái)十年必須建立的能力?！?D打印對(duì)所占用的材料成本更加敏感，而對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并不敏感，也就是說(shuō)3D打印適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，包括一體化結(jié)構(gòu)、仿生學(xué)設(shè)計(jì)、異形結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等。

筆者作為多年運(yùn)用增材思維設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師，對(duì)以上想法感同身受。3D打印以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由性，給設(shè)計(jì)師的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更多的發(fā)揮空間。不僅降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度，還提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能指標(biāo)。在公開(kāi)案例中，多以航空航天領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)功能高要求、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵性部件，如燃油噴嘴，散熱控制等，但這些結(jié)構(gòu)屬于單一功能實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)性結(jié)構(gòu)，而非運(yùn)動(dòng)性結(jié)構(gòu)。本文將結(jié)合筆者多年來(lái)應(yīng)用3D打印思維，設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)類(lèi)部件的相關(guān)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和案例，給大家展示結(jié)合增材制造思維做機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的正向設(shè)計(jì)的思維模式和設(shè)計(jì)流程。希望對(duì)大家有所幫助。

一個(gè)產(chǎn)品或者零件在正向設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程指導(dǎo)，能夠幫助設(shè)計(jì)師高效率的思考零件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，計(jì)算相關(guān)尺寸參數(shù)，并核對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)是否完成，使得產(chǎn)品原型以最少的迭代次數(shù)，甚至一次驗(yàn)證就實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型。

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)類(lèi)設(shè)備上的 X軸3D打印運(yùn)動(dòng)主部件的設(shè)計(jì)來(lái)向大家說(shuō)明，正向設(shè)計(jì)是如何與增材思維組合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)零部件的設(shè)計(jì)。本文將設(shè)計(jì)流程分以下四個(gè)章節(jié)進(jìn)行講解。

一  機(jī)械電子配件選型

二  結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)要求

三  結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計(jì)的問(wèn)題

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)計(jì)的思維

一  機(jī)械電子配件選型

功能要求直接決定機(jī)械和電子的配件選型，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設(shè)計(jì)師常年經(jīng)驗(yàn)積累。所以，配件選型是衡量設(shè)計(jì)師專業(yè)水平的核心能力之一。由于電子部分涉及總體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型，不屬于本文核心闡述內(nèi)容，在這里我們重點(diǎn)講解機(jī)械配件選型。

A 結(jié)構(gòu)功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標(biāo)類(lèi)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中X軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于該類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備，其機(jī)械誤差累積是XYZ 3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)械精度組合，單軸方向的精度提升對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設(shè)計(jì)中，綜合成本，精度，負(fù)載等諸多因素考慮，選用保證精度的機(jī)械配件為2根直徑8mm的直線光軸和長(zhǎng)度為45mm的直線軸承。

C 對(duì)零件設(shè)計(jì)的核心功能分析

1 x軸掛載的功能部件越輕，其運(yùn)動(dòng)慣性越小，工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)的精度越高。

2 功能部件的寬度越小，在滿足行程的情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體框架尺寸也就越小。

D 性能評(píng)估與“閉環(huán)”設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初期對(duì)實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)行預(yù)估，或者根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推算預(yù)估，有助于對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)的步驟一一對(duì)照，確認(rèn)是否符合最初的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)“閉環(huán)”設(shè)計(jì)。養(yǎng)成每個(gè)局部設(shè)計(jì)符合預(yù)估要求的“閉環(huán)”思考習(xí)慣，避免因局部設(shè)計(jì)缺陷影響整體設(shè)計(jì)性能的問(wèn)題發(fā)生，導(dǎo)致不必要的二次迭代，這是很多設(shè)計(jì)師產(chǎn)生不必要的迭代設(shè)計(jì)的根本原因。有時(shí)候，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前對(duì)相關(guān)性能參數(shù)做明確規(guī)定。此種情況下，性能的評(píng)估和上面的選型步驟等均按照設(shè)計(jì)前規(guī)定好的功能參數(shù)來(lái)選擇和分析。

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在掛載小于500g，最大運(yùn)動(dòng)速度在80mm/s以及工作運(yùn)動(dòng)行程320mm的情況下，考慮運(yùn)動(dòng)振動(dòng)等因素，初步評(píng)估其機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度在0.05mm以內(nèi)。

二 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)要求

由于我們所設(shè)計(jì)的是運(yùn)動(dòng)類(lèi)部件，對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等至關(guān)重要，同時(shí)還要考慮設(shè)計(jì)完成后達(dá)到的目標(biāo)是什么。

對(duì)X軸3D打印主部件，部件功能結(jié)構(gòu)的要求分析如下：

1  固定直線軸承，保證兩個(gè)直線軸承的平行度和固定穩(wěn)定性。

2  固定加熱頭，結(jié)構(gòu)上要避免其高溫部分接觸打印件造成零件的損壞，保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

3  固定3個(gè)散熱風(fēng)扇，并給散熱風(fēng)扇專門(mén)設(shè)計(jì)通氣通道，保障氣流的流暢和散熱的冷卻效果。

4  固定傳動(dòng)的皮帶，并實(shí)現(xiàn)“雙向固定”。即X軸運(yùn)動(dòng)方向通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速切換的功能。

5  該部分運(yùn)動(dòng)到歸零位置的時(shí)候，能夠與限位開(kāi)關(guān)匹配，實(shí)現(xiàn)歸零的功能。

6  電路板的固定，與該部分相關(guān)的5個(gè)電子部件（加熱棒、測(cè)溫電阻、主散熱風(fēng)扇、模型散熱風(fēng)扇）接在集成電路接口板上。

以上6點(diǎn)是與結(jié)構(gòu)和電子選型配件相關(guān)的功能要求說(shuō)明，在設(shè)計(jì)上滿足了以上功能的布局后，以下6點(diǎn)就是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)優(yōu)化性指標(biāo):

1  高強(qiáng)度——保證相關(guān)零配件很好的固定在結(jié)構(gòu)框架件上，工作時(shí)不會(huì)松動(dòng)或者振動(dòng)，影響工作質(zhì)量。

2  輕量化——整體部件重量要盡可能的輕.，減少運(yùn)動(dòng)慣性，以此提高運(yùn)動(dòng)速度和保障運(yùn)動(dòng)精度。

3  緊湊性——整體的寬度要盡可能的窄，以增加運(yùn)動(dòng)的行程范圍，運(yùn)動(dòng)部件的緊湊設(shè)計(jì)對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸起到了關(guān)鍵的作用。

4  一體化——用來(lái)固定相關(guān)選型零配件的設(shè)計(jì)件盡可能的一體化，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少零件數(shù)量。

5  易裝配——按照標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法，相關(guān)部件都能易于安裝，不會(huì)出現(xiàn)某些部分由于結(jié)構(gòu)的緊湊導(dǎo)致裝配困難問(wèn)題。

6  維護(hù)性——在單個(gè)相關(guān)配件出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，能夠以最少的拆卸步驟實(shí)現(xiàn)部件的更換。

以上6點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析和6點(diǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，是設(shè)計(jì)師必須考慮到的問(wèn)題，這些問(wèn)題是正向設(shè)計(jì)在進(jìn)入制造實(shí)現(xiàn)階段前需要考慮的問(wèn)題。

三 結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計(jì)的問(wèn)題

如果設(shè)計(jì)師使用一些傳統(tǒng)的加工制造方法，以傳統(tǒng)的制造設(shè)備實(shí)現(xiàn)零件生產(chǎn)，鈑金結(jié)構(gòu)件和CNC金屬切削加工是實(shí)現(xiàn)該類(lèi)設(shè)計(jì)的主要選擇。零件特點(diǎn)必然需要導(dǎo)致大量的螺絲緊固件的使用，來(lái)緊固結(jié)構(gòu)形成一體的部件，這導(dǎo)致了諸多問(wèn)題產(chǎn)生。

1  設(shè)計(jì)上考慮的加工因素多樣，設(shè)計(jì)難度大；

2  加工驗(yàn)證時(shí)間周期長(zhǎng)；

3  最后設(shè)計(jì)制造出來(lái)的部件重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，精度差；

4  結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間大；

5  分體設(shè)計(jì)帶來(lái)的大量的緊固工作會(huì)導(dǎo)致工人裝配工作量和難度的增加，人力成本增加；

6  維護(hù)性差，單一部件更換需要耗費(fèi)大量的人力時(shí)間；

以上是使用CNC和鈑金結(jié)構(gòu)件制造的形式所產(chǎn)生的問(wèn)題，而如果構(gòu)件以塑料模具制造的方式設(shè)計(jì)，那么結(jié)構(gòu)的輕量化，緊湊性，一體化就可以實(shí)現(xiàn)，但是設(shè)計(jì)師就需要掌握適合開(kāi)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧，加工模具和量產(chǎn)的時(shí)間周期更長(zhǎng)，成本高昂。

從這里我們可以看出，以傳統(tǒng)制造思維來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜集成性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要花費(fèi)大量時(shí)間，精力，資金成本，且性能受限。下面我們來(lái)看增材制造思維是如何來(lái)幫助正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)省時(shí)省力省資金的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)計(jì)的思維

在筆者看來(lái)，增材思維就是考慮以增材制造的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的思維模式。具體在零件設(shè)計(jì)時(shí)，則可以拆分成以下幾點(diǎn)，靈活的應(yīng)用在具體零件設(shè)計(jì)的過(guò)程中。

1 功能優(yōu)先思維

3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意的結(jié)構(gòu) ，所以零件復(fù)雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內(nèi)容（可按順序建模實(shí)現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，重要的一點(diǎn)是關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置問(wèn)題：將其各種配件模型在數(shù)字化建模軟件里進(jìn)行合理的布局。確定各種配件的相關(guān)空間尺寸，這需要大量的空間位置計(jì)算。對(duì)于多部件固定性零件設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)師需要“腦補(bǔ)”后續(xù)裝配時(shí)，可能因?yàn)楸旧聿季衷蚓蜁?huì)產(chǎn)生組裝干涉，運(yùn)動(dòng)干涉，維護(hù)是否方便等問(wèn)題。所以，關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置布局，是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師水平的關(guān)鍵因素之一。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)——強(qiáng)度適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則

在確定布局的前提下，我們就可以來(lái)設(shè)計(jì)具體的連接性結(jié)構(gòu)，這里的強(qiáng)度適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則

簡(jiǎn)單解釋，就是“哪里需要強(qiáng)度，哪里設(shè)計(jì)厚一些”。在需要高強(qiáng)度的地方通過(guò)大壁厚設(shè)計(jì)增加強(qiáng)度，最后出來(lái)的一體化部件，就可以初步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)要求高的零部件，可考慮采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式，將大塊的連接性結(jié)構(gòu)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結(jié)構(gòu)解，然后根據(jù)結(jié)果做參考建模的依據(jù)，進(jìn)行二次優(yōu)化建模，得到的零件就可以符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

對(duì)于一般固定結(jié)構(gòu)，沒(méi)有必要做拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的情況下，可采用匹配強(qiáng)度的壁厚組合的的設(shè)計(jì)方法，

對(duì)于固定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，壁厚多少與強(qiáng)度成正比?；诖嗽恚覀兛梢越Y(jié)合具體使用材料，以不同方向，打印不同厚度得到不同強(qiáng)度值的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)位置的壁厚，保證該部分有足夠的強(qiáng)度，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向?qū)?qiáng)度影響的關(guān)鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學(xué)習(xí)。以“哪里不夠補(bǔ)哪里”為基本原則，將零件固定位置逐漸連接到一起，強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題也迎刃而解。接下來(lái)就是通過(guò)圓角倒角的方式做好強(qiáng)度過(guò)渡的處理，形成一個(gè)壁厚設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度分布匹配功能要求的基礎(chǔ)零件。

1  分層思維

我們都知道，3D打印是分層累積堆積而成的。這樣的分層制造原理，也決定了其在強(qiáng)度分布上與層有著密不可分的關(guān)系。一個(gè)圓孔平躺著切片打印和垂直切片打印，其強(qiáng)度，精度等都會(huì)受到很大影響。對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)，和帶角度結(jié)構(gòu)，還存在支撐的問(wèn)題。這也是3D打印獨(dú)有的工藝性問(wèn)題。在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了典型機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D打印工藝性設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及關(guān)鍵位置在做公差配合設(shè)計(jì)時(shí)，合理的公差值是多少。在滿足了前面的功能布局和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點(diǎn)，能夠讓設(shè)計(jì)出來(lái)的零件同實(shí)際制造出來(lái)的零件，尺寸和強(qiáng)度更符合預(yù)期的目標(biāo)。

2  無(wú)支撐設(shè)計(jì)思維

如果把功能優(yōu)先思維和分層思維比作房子的基礎(chǔ)裝修，那么，無(wú)支撐設(shè)計(jì)思維則算是一個(gè)“精裝修”的過(guò)程。該步驟就是在滿足強(qiáng)度和精度的情況下，如何細(xì)微調(diào)整現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足功能，強(qiáng)度，精度等要求的前提下，使得產(chǎn)生的支撐接近于0的設(shè)計(jì)。最為大家熟知的是“任何位置相對(duì)底面大于45度”的角度法則，其深入骨髓的靈活運(yùn)用能夠讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支撐最小，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了更多的典型機(jī)械功能結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐設(shè)計(jì)技巧和注意事項(xiàng)，以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)解。

在筆者設(shè)計(jì)的該X軸部件設(shè)計(jì)中，首先確定了相關(guān)配件的布局設(shè)計(jì)，壁厚的設(shè)計(jì)選擇了 2mm/3mm/5mm的3個(gè)強(qiáng)度梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合固定位以“加法”的方式設(shè)計(jì)，完成了大部件一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。其次考慮分層方向和支撐生成的問(wèn)題，對(duì)零件進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化

包括大量倒角圓角的運(yùn)用，無(wú)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。最后對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)功能，一一核對(duì)之前的功能說(shuō)明和設(shè)計(jì)預(yù)估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設(shè)計(jì)。

通過(guò)打印驗(yàn)證，該零件的相關(guān)尺寸，強(qiáng)度和精度均和預(yù)估相符合，一次性實(shí)現(xiàn)原型的功能開(kāi)發(fā)。

通過(guò)對(duì)上文的闡述，這里對(duì)衡量設(shè)計(jì)師水平的關(guān)鍵能力做以下總結(jié)；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的詳細(xì)分析

3  關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置布局

4  合理的強(qiáng)度計(jì)算與設(shè)計(jì)

5  對(duì)制造工藝的充分理解和運(yùn)用——制造思維

6  對(duì)局部設(shè)計(jì)逐一核對(duì)的閉環(huán)設(shè)計(jì)思維

寫(xiě)到這里大家可以看出，像這樣的高度復(fù)雜的一體化設(shè)計(jì)部件，需要考慮的因素眾多，

需要積累大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能完成結(jié)合增材思維的正向設(shè)計(jì)。如果局部功能結(jié)構(gòu)中，存在一些制造效果分析，自己沒(méi)有把握的地方，則可能需要單獨(dú)出來(lái)打印驗(yàn)證，而不用整體全部打印，這樣可加快產(chǎn)品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國(guó)內(nèi)制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設(shè)計(jì)？》文章中也提到了功能融合設(shè)計(jì)法的概念，其實(shí)也就是將積累的功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)上的加法，實(shí)現(xiàn)功能組合。本文則是從更為具體的實(shí)際設(shè)計(jì)層面，分析設(shè)計(jì)思路和需要考慮的問(wèn)題點(diǎn)，也希望此文能對(duì)大家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有所幫助，結(jié)合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

作者在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術(shù)方面以DfAM的設(shè)計(jì)思維做設(shè)計(jì)實(shí)踐運(yùn)用，立志推廣3D打印技術(shù)的運(yùn)用。歡迎添加個(gè)人微信交流學(xué)習(xí)。

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結(jié)合增材制造思維的正向設(shè)計(jì)案例分析

2020年5月25日 作者：林傳春

目前國(guó)內(nèi)普遍將3D打印應(yīng)用于產(chǎn)品的原型階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)并沒(méi)有根據(jù)3D打印的特點(diǎn)發(fā)生改變，而在應(yīng)用的更高層次，包括“零部件組合優(yōu)化” 、 “拓?fù)鋬?yōu)化工業(yè)再設(shè)計(jì)” 、以及以“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”為代表的DfF(面向功能實(shí)現(xiàn))的全新設(shè)計(jì)，可以稱為“以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)”，是一種面向正向設(shè)計(jì)體系的思維和能力。這種能力是中國(guó)工業(yè)未來(lái)十年必須建立的能力?！?D打印對(duì)所占用的材料成本更加敏感，而對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并不敏感，也就是說(shuō)3D打印適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，包括一體化結(jié)構(gòu)、仿生學(xué)設(shè)計(jì)、異形結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等。

筆者作為多年運(yùn)用增材思維設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師，對(duì)以上想法感同身受。3D打印以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由性，給設(shè)計(jì)師的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更多的發(fā)揮空間。不僅降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度，還提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能指標(biāo)。在公開(kāi)案例中，多以航空航天領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)功能高要求、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵性部件，如燃油噴嘴，散熱控制等，但這些結(jié)構(gòu)屬于單一功能實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)性結(jié)構(gòu)，而非運(yùn)動(dòng)性結(jié)構(gòu)。本文將結(jié)合筆者多年來(lái)應(yīng)用3D打印思維，設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)類(lèi)部件的相關(guān)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和案例，給大家展示結(jié)合增材制造思維做機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的正向設(shè)計(jì)的思維模式和設(shè)計(jì)流程。希望對(duì)大家有所幫助。

一個(gè)產(chǎn)品或者零件在正向設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程指導(dǎo)，能夠幫助設(shè)計(jì)師高效率的思考零件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，計(jì)算相關(guān)尺寸參數(shù)，并核對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)是否完成，使得產(chǎn)品原型以最少的迭代次數(shù)，甚至一次驗(yàn)證就實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型。

下面，筆者以某種笛卡爾XYZ坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)類(lèi)設(shè)備上的 X軸3D打印運(yùn)動(dòng)主部件的設(shè)計(jì)來(lái)向大家說(shuō)明，正向設(shè)計(jì)是如何與增材思維組合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)零部件的設(shè)計(jì)。本文將設(shè)計(jì)流程分以下四個(gè)章節(jié)進(jìn)行講解。

一  機(jī)械電子配件選型

二  結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)要求

三  結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計(jì)的問(wèn)題

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)計(jì)的思維

一  機(jī)械電子配件選型

功能要求直接決定機(jī)械和電子的配件選型，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 快速確定符合功能的配件選擇，需要設(shè)計(jì)師常年經(jīng)驗(yàn)積累。所以，配件選型是衡量設(shè)計(jì)師專業(yè)水平的核心能力之一。由于電子部分涉及總體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型，不屬于本文核心闡述內(nèi)容，在這里我們重點(diǎn)講解機(jī)械配件選型。

A 結(jié)構(gòu)功能總體分析

該部分屬于典型的笛卡爾坐標(biāo)類(lèi)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中X軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于該類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備，其機(jī)械誤差累積是XYZ 3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)械精度組合，單軸方向的精度提升對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度提升都有巨大的意義。

B 配件選型

在該方案設(shè)計(jì)中，綜合成本，精度，負(fù)載等諸多因素考慮，選用保證精度的機(jī)械配件為2根直徑8mm的直線光軸和長(zhǎng)度為45mm的直線軸承。

C 對(duì)零件設(shè)計(jì)的核心功能分析

1 x軸掛載的功能部件越輕，其運(yùn)動(dòng)慣性越小，工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)的精度越高。

2 功能部件的寬度越小，在滿足行程的情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體框架尺寸也就越小。

D 性能評(píng)估與“閉環(huán)”設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初期對(duì)實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)行預(yù)估，或者根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推算預(yù)估，有助于對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)的步驟一一對(duì)照，確認(rèn)是否符合最初的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)“閉環(huán)”設(shè)計(jì)。養(yǎng)成每個(gè)局部設(shè)計(jì)符合預(yù)估要求的“閉環(huán)”思考習(xí)慣，避免因局部設(shè)計(jì)缺陷影響整體設(shè)計(jì)性能的問(wèn)題發(fā)生，導(dǎo)致不必要的二次迭代，這是很多設(shè)計(jì)師產(chǎn)生不必要的迭代設(shè)計(jì)的根本原因。有時(shí)候，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前對(duì)相關(guān)性能參數(shù)做明確規(guī)定。此種情況下，性能的評(píng)估和上面的選型步驟等均按照設(shè)計(jì)前規(guī)定好的功能參數(shù)來(lái)選擇和分析。

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在掛載小于500g，最大運(yùn)動(dòng)速度在80mm/s以及工作運(yùn)動(dòng)行程320mm的情況下，考慮運(yùn)動(dòng)振動(dòng)等因素，初步評(píng)估其機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度在0.05mm以內(nèi)。

二 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)要求

由于我們所設(shè)計(jì)的是運(yùn)動(dòng)類(lèi)部件，對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等至關(guān)重要，同時(shí)還要考慮設(shè)計(jì)完成后達(dá)到的目標(biāo)是什么。

對(duì)X軸3D打印主部件，部件功能結(jié)構(gòu)的要求分析如下：

1  固定直線軸承，保證兩個(gè)直線軸承的平行度和固定穩(wěn)定性。

2  固定加熱頭，結(jié)構(gòu)上要避免其高溫部分接觸打印件造成零件的損壞，保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

3  固定3個(gè)散熱風(fēng)扇，并給散熱風(fēng)扇專門(mén)設(shè)計(jì)通氣通道，保障氣流的流暢和散熱的冷卻效果。

4  固定傳動(dòng)的皮帶，并實(shí)現(xiàn)“雙向固定”。即X軸運(yùn)動(dòng)方向通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速切換的功能。

5  該部分運(yùn)動(dòng)到歸零位置的時(shí)候，能夠與限位開(kāi)關(guān)匹配，實(shí)現(xiàn)歸零的功能。

6  電路板的固定，與該部分相關(guān)的5個(gè)電子部件（加熱棒、測(cè)溫電阻、主散熱風(fēng)扇、模型散熱風(fēng)扇）接在集成電路接口板上。

以上6點(diǎn)是與結(jié)構(gòu)和電子選型配件相關(guān)的功能要求說(shuō)明，在設(shè)計(jì)上滿足了以上功能的布局后，以下6點(diǎn)就是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)優(yōu)化性指標(biāo):

1  高強(qiáng)度——保證相關(guān)零配件很好的固定在結(jié)構(gòu)框架件上，工作時(shí)不會(huì)松動(dòng)或者振動(dòng)，影響工作質(zhì)量。

2  輕量化——整體部件重量要盡可能的輕.，減少運(yùn)動(dòng)慣性，以此提高運(yùn)動(dòng)速度和保障運(yùn)動(dòng)精度。

3  緊湊性——整體的寬度要盡可能的窄，以增加運(yùn)動(dòng)的行程范圍，運(yùn)動(dòng)部件的緊湊設(shè)計(jì)對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸起到了關(guān)鍵的作用。

4  一體化——用來(lái)固定相關(guān)選型零配件的設(shè)計(jì)件盡可能的一體化，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少零件數(shù)量。

5  易裝配——按照標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法，相關(guān)部件都能易于安裝，不會(huì)出現(xiàn)某些部分由于結(jié)構(gòu)的緊湊導(dǎo)致裝配困難問(wèn)題。

6  維護(hù)性——在單個(gè)相關(guān)配件出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，能夠以最少的拆卸步驟實(shí)現(xiàn)部件的更換。

以上6點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析和6點(diǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，是設(shè)計(jì)師必須考慮到的問(wèn)題，這些問(wèn)題是正向設(shè)計(jì)在進(jìn)入制造實(shí)現(xiàn)階段前需要考慮的問(wèn)題。

三 結(jié)合傳統(tǒng)制造方法做零件設(shè)計(jì)的問(wèn)題

如果設(shè)計(jì)師使用一些傳統(tǒng)的加工制造方法，以傳統(tǒng)的制造設(shè)備實(shí)現(xiàn)零件生產(chǎn)，鈑金結(jié)構(gòu)件和CNC金屬切削加工是實(shí)現(xiàn)該類(lèi)設(shè)計(jì)的主要選擇。零件特點(diǎn)必然需要導(dǎo)致大量的螺絲緊固件的使用，來(lái)緊固結(jié)構(gòu)形成一體的部件，這導(dǎo)致了諸多問(wèn)題產(chǎn)生。

1  設(shè)計(jì)上考慮的加工因素多樣，設(shè)計(jì)難度大；

2  加工驗(yàn)證時(shí)間周期長(zhǎng)；

3  最后設(shè)計(jì)制造出來(lái)的部件重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，精度差；

4  結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間大；

5  分體設(shè)計(jì)帶來(lái)的大量的緊固工作會(huì)導(dǎo)致工人裝配工作量和難度的增加，人力成本增加；

6  維護(hù)性差，單一部件更換需要耗費(fèi)大量的人力時(shí)間；

以上是使用CNC和鈑金結(jié)構(gòu)件制造的形式所產(chǎn)生的問(wèn)題，而如果構(gòu)件以塑料模具制造的方式設(shè)計(jì)，那么結(jié)構(gòu)的輕量化，緊湊性，一體化就可以實(shí)現(xiàn)，但是設(shè)計(jì)師就需要掌握適合開(kāi)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧，加工模具和量產(chǎn)的時(shí)間周期更長(zhǎng)，成本高昂。

從這里我們可以看出，以傳統(tǒng)制造思維來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜集成性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要花費(fèi)大量時(shí)間，精力，資金成本，且性能受限。下面我們來(lái)看增材制造思維是如何來(lái)幫助正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)省時(shí)省力省資金的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

四  結(jié)合增材制造做零件設(shè)計(jì)的思維

在筆者看來(lái)，增材思維就是考慮以增材制造的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的思維模式。具體在零件設(shè)計(jì)時(shí)，則可以拆分成以下幾點(diǎn)，靈活的應(yīng)用在具體零件設(shè)計(jì)的過(guò)程中。

1 功能優(yōu)先思維

3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意的結(jié)構(gòu) ，所以零件復(fù)雜與否不重要，優(yōu)先考慮以下內(nèi)容（可按順序建模實(shí)現(xiàn)）

2 最優(yōu)功能布局設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，重要的一點(diǎn)是關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置問(wèn)題：將其各種配件模型在數(shù)字化建模軟件里進(jìn)行合理的布局。確定各種配件的相關(guān)空間尺寸，這需要大量的空間位置計(jì)算。對(duì)于多部件固定性零件設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)師需要“腦補(bǔ)”后續(xù)裝配時(shí)，可能因?yàn)楸旧聿季衷蚓蜁?huì)產(chǎn)生組裝干涉，運(yùn)動(dòng)干涉，維護(hù)是否方便等問(wèn)題。所以，關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置布局，是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師水平的關(guān)鍵因素之一。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)——強(qiáng)度適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則

在確定布局的前提下，我們就可以來(lái)設(shè)計(jì)具體的連接性結(jié)構(gòu)，這里的強(qiáng)度適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則

簡(jiǎn)單解釋，就是“哪里需要強(qiáng)度，哪里設(shè)計(jì)厚一些”。在需要高強(qiáng)度的地方通過(guò)大壁厚設(shè)計(jì)增加強(qiáng)度，最后出來(lái)的一體化部件，就可以初步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)要求高的零部件，可考慮采用拓?fù)鋬?yōu)化的方式，將大塊的連接性結(jié)構(gòu)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的軟件，直接優(yōu)化成最優(yōu)結(jié)構(gòu)解，然后根據(jù)結(jié)果做參考建模的依據(jù)，進(jìn)行二次優(yōu)化建模，得到的零件就可以符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

對(duì)于一般固定結(jié)構(gòu)，沒(méi)有必要做拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的情況下，可采用匹配強(qiáng)度的壁厚組合的的設(shè)計(jì)方法，

對(duì)于固定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，壁厚多少與強(qiáng)度成正比?；诖嗽恚覀兛梢越Y(jié)合具體使用材料，以不同方向，打印不同厚度得到不同強(qiáng)度值的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)位置的壁厚，保證該部分有足夠的強(qiáng)度，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了不同材料，不同壁厚，不同打印方向?qū)?qiáng)度影響的關(guān)鍵性參數(shù)，有需要的朋友可以直接聯(lián)系筆者交流學(xué)習(xí)。以“哪里不夠補(bǔ)哪里”為基本原則，將零件固定位置逐漸連接到一起，強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題也迎刃而解。接下來(lái)就是通過(guò)圓角倒角的方式做好強(qiáng)度過(guò)渡的處理，形成一個(gè)壁厚設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度分布匹配功能要求的基礎(chǔ)零件。

1  分層思維

我們都知道，3D打印是分層累積堆積而成的。這樣的分層制造原理，也決定了其在強(qiáng)度分布上與層有著密不可分的關(guān)系。一個(gè)圓孔平躺著切片打印和垂直切片打印，其強(qiáng)度，精度等都會(huì)受到很大影響。對(duì)于懸空結(jié)構(gòu)，和帶角度結(jié)構(gòu)，還存在支撐的問(wèn)題。這也是3D打印獨(dú)有的工藝性問(wèn)題。在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了典型機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D打印工藝性設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及關(guān)鍵位置在做公差配合設(shè)計(jì)時(shí)，合理的公差值是多少。在滿足了前面的功能布局和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求下，考慮3D打印分層制造的工藝特點(diǎn)，能夠讓設(shè)計(jì)出來(lái)的零件同實(shí)際制造出來(lái)的零件，尺寸和強(qiáng)度更符合預(yù)期的目標(biāo)。

2  無(wú)支撐設(shè)計(jì)思維

如果把功能優(yōu)先思維和分層思維比作房子的基礎(chǔ)裝修，那么，無(wú)支撐設(shè)計(jì)思維則算是一個(gè)“精裝修”的過(guò)程。該步驟就是在滿足強(qiáng)度和精度的情況下，如何細(xì)微調(diào)整現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足功能，強(qiáng)度，精度等要求的前提下，使得產(chǎn)生的支撐接近于0的設(shè)計(jì)。最為大家熟知的是“任何位置相對(duì)底面大于45度”的角度法則，其深入骨髓的靈活運(yùn)用能夠讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支撐最小，在筆者總結(jié)的“林3S原理”中，總結(jié)記錄了更多的典型機(jī)械功能結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐設(shè)計(jì)技巧和注意事項(xiàng)，以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)解。

在筆者設(shè)計(jì)的該X軸部件設(shè)計(jì)中，首先確定了相關(guān)配件的布局設(shè)計(jì)，壁厚的設(shè)計(jì)選擇了 2mm/3mm/5mm的3個(gè)強(qiáng)度梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合固定位以“加法”的方式設(shè)計(jì)，完成了大部件一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。其次考慮分層方向和支撐生成的問(wèn)題，對(duì)零件進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化

包括大量倒角圓角的運(yùn)用，無(wú)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。最后對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)功能，一一核對(duì)之前的功能說(shuō)明和設(shè)計(jì)預(yù)估，待確定以后，完成了該零件原型的”閉環(huán)”設(shè)計(jì)。

通過(guò)打印驗(yàn)證，該零件的相關(guān)尺寸，強(qiáng)度和精度均和預(yù)估相符合，一次性實(shí)現(xiàn)原型的功能開(kāi)發(fā)。

通過(guò)對(duì)上文的闡述，這里對(duì)衡量設(shè)計(jì)師水平的關(guān)鍵能力做以下總結(jié)；

1  確定符合功能的配件選擇

2  根據(jù)功能對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的詳細(xì)分析

3  關(guān)鍵部件的相對(duì)空間位置布局

4  合理的強(qiáng)度計(jì)算與設(shè)計(jì)

5  對(duì)制造工藝的充分理解和運(yùn)用——制造思維

6  對(duì)局部設(shè)計(jì)逐一核對(duì)的閉環(huán)設(shè)計(jì)思維

寫(xiě)到這里大家可以看出，像這樣的高度復(fù)雜的一體化設(shè)計(jì)部件，需要考慮的因素眾多，

需要積累大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能完成結(jié)合增材思維的正向設(shè)計(jì)。如果局部功能結(jié)構(gòu)中，存在一些制造效果分析，自己沒(méi)有把握的地方，則可能需要單獨(dú)出來(lái)打印驗(yàn)證，而不用整體全部打印，這樣可加快產(chǎn)品的迭代。

筆者在之前發(fā)表的《國(guó)內(nèi)制造企業(yè)如何融入面向增材制造的設(shè)計(jì)？》文章中也提到了功能融合設(shè)計(jì)法的概念，其實(shí)也就是將積累的功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)上的加法，實(shí)現(xiàn)功能組合。本文則是從更為具體的實(shí)際設(shè)計(jì)層面，分析設(shè)計(jì)思路和需要考慮的問(wèn)題點(diǎn)，也希望此文能對(duì)大家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有所幫助，結(jié)合提供的思考流程，順利的完成適合于增材制造的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

作者在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術(shù)方面以DfAM的設(shè)計(jì)思維做設(shè)計(jì)實(shí)踐運(yùn)用，立志推廣3D打印技術(shù)的運(yùn)用。歡迎添加個(gè)人微信交流學(xué)習(xí)。

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