增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第6章 3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第6章3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents3216.33D打印產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)流程6.2產(chǎn)品研發(fā)中的創(chuàng)新方法6.1增材制造創(chuàng)新思維6.4基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品4在科幻電影中，我們經(jīng)常能看到一些造型奇特、功能強(qiáng)大的未來設(shè)備和產(chǎn)品，令人嘆為觀止，這些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)需要怎樣的方法去設(shè)計(jì)？哪些創(chuàng)新思維方式是值得我們學(xué)習(xí)的？案例導(dǎo)入流浪地球掠奪者號(hào)無人機(jī)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)理解增材思維、設(shè)計(jì)思維、增材制造創(chuàng)新思維，并理解其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的區(qū)別。掌握3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)的定義、主要特點(diǎn)以及產(chǎn)品研發(fā)中使用的創(chuàng)新方法。等。掌握3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)流程，包括需求分析、設(shè)計(jì)構(gòu)思、建模優(yōu)化、打印制作以及測試評(píng)估等環(huán)節(jié)。2、能力目標(biāo)根據(jù)增材制造設(shè)計(jì)自由度提升和材料多樣性的選擇培養(yǎng)快速原型制作的能力。通過實(shí)際操作，提升在3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的方案規(guī)劃與實(shí)施能力。能夠?qū)a(chǎn)品研發(fā)中的創(chuàng)新方法，包括但不限于頭腦風(fēng)暴、單點(diǎn)探索流、用戶角色模型、AI探索流等，應(yīng)用到3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)踐中。根據(jù)3D打印結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，學(xué)會(huì)深入理解3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的獨(dú)特優(yōu)勢，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、一體成型等。通過實(shí)踐案例分析，掌握利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能性設(shè)計(jì)的方法與技巧。3、素養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合3D打印技術(shù)與其他學(xué)科（如機(jī)械工程、材料科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等）的知識(shí)，培養(yǎng)跨學(xué)科的設(shè)計(jì)思維。

了解并欣賞基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，分析其設(shè)計(jì)特點(diǎn)和市場價(jià)值。同時(shí)，應(yīng)能夠欣賞這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)美學(xué)和實(shí)用性，激發(fā)自身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)靈感。6.1增材制造創(chuàng)新思維6.1.1增材制造創(chuàng)新思維概述1、增材思維(thinkingforAM)：也常被稱為“加法思維”或“累加思維”，是一種生成式創(chuàng)新，它強(qiáng)調(diào)通過不斷地添加、組合新的元素或想法來解決問題或創(chuàng)造新事物。增材制造代表了效法自然生長法則的制造思想，是一種自由制造的理念和方法論。它啟發(fā)我們，設(shè)計(jì)的終極模式是效法自然，不需過多地向工藝妥協(xié)，回歸需求本源，是由產(chǎn)品性能驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)。增材制造技術(shù)帶來的全新設(shè)計(jì)可能性，將顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，催生制造業(yè)的設(shè)計(jì)革命。6.1.1增材制造創(chuàng)新思維概述2、設(shè)計(jì)思維（designthinking）：是一種以人為本的解決問題的創(chuàng)新方法，它利用設(shè)計(jì)者的理解和方法，將技術(shù)可行性、商業(yè)策略與用戶需求相匹配，從而轉(zhuǎn)化為客戶價(jià)值和市場機(jī)會(huì)。作為一種思維方式，設(shè)計(jì)思維被普遍認(rèn)為具有綜合處理能力的性質(zhì)，能夠理解問題產(chǎn)生的背景、催生洞察力及解決方法，并能夠理性地分析和找出最合適的解決方案。設(shè)計(jì)思維以人們生活品質(zhì)的持續(xù)提高為目標(biāo)，依據(jù)文化的方式與方法開展創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐。設(shè)計(jì)思維存在著邏輯的必然性，即在一定前提下必然導(dǎo)出的結(jié)果，并不是“用設(shè)計(jì)師的思維去設(shè)計(jì)”，它是一種創(chuàng)新方法論，更是解決問題的路徑。所以當(dāng)我們面對(duì)增材技術(shù)，用設(shè)計(jì)思維的邏輯去指導(dǎo)商業(yè)實(shí)踐就能產(chǎn)生出最具顛覆性的創(chuàng)新。6.1.1增材制造創(chuàng)新思維概述3、增材制造創(chuàng)新思維：增材制造創(chuàng)新思維實(shí)際是面對(duì)復(fù)雜問題提出一種全新的方法論：通過增材制造技術(shù)和設(shè)計(jì)思維解決更高維度的工程問題的一種創(chuàng)新思考的模式。這種思維模式強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)自由度的提升、個(gè)性化定制、材料效率以及與數(shù)字化技術(shù)的深度融合。能解決結(jié)構(gòu)功能一體化，拓?fù)鋬?yōu)化，仿生結(jié)構(gòu)，晶格結(jié)構(gòu)和多材料制造等問題，對(duì)人類的多維度和復(fù)雜工程提出有效的解決方案。增材制造創(chuàng)新思維體現(xiàn)在多個(gè)層面，它不僅僅是一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，更是一種全新的設(shè)計(jì)哲學(xué)和方法論。以下是關(guān)于3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維的核心要點(diǎn)：1、無約束的創(chuàng)意思維。2、以用戶為中心的設(shè)計(jì)思維。3、跨領(lǐng)域的整合思維。4、可持續(xù)性和環(huán)保的設(shè)計(jì)思維。5、迭代與優(yōu)化的設(shè)計(jì)思維。在實(shí)際應(yīng)用中，增材制造創(chuàng)新思維有著廣泛的應(yīng)用場景。在靈活性、節(jié)約性、高效性、復(fù)雜性和可持續(xù)性等方面突出，例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，增減材技術(shù)可以根據(jù)病人的具體情況制造出合適的醫(yī)療器械，如人工關(guān)節(jié)、義肢等，同時(shí)還可以制造出具有特殊功能的醫(yī)療材料，如支持組織生長的生物材料、藥物緩釋系統(tǒng)等，這些都能提高醫(yī)療治療效果和患者的生活質(zhì)量。在建筑業(yè)中，增減材技術(shù)可以直接制造出所需的建筑材料，提高建筑效率，同時(shí)制造出具有特殊功能的建筑材料，如自潔玻璃、光伏材料等，從而提高建筑的節(jié)能性能。面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)定義：是指在設(shè)計(jì)過程中，充分利用3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢和特性，進(jìn)行具有創(chuàng)新性、突破性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式不僅關(guān)注產(chǎn)品的外觀和功能，更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料選擇以及制造過程的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更高效、更靈活、更個(gè)性化的產(chǎn)品制造，如圖6-1所示3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)勢。6.1.2面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)定義這種設(shè)計(jì)方法主要強(qiáng)調(diào)功能性，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品主要目的為首要考慮因素，并充分利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，如制造復(fù)雜形狀、實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)利用等。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，面向3D打印的設(shè)計(jì)更加注重創(chuàng)新和靈活性，以適應(yīng)不斷變化的市場需求和用戶偏好，如圖所示寶馬汽車內(nèi)飾的個(gè)性化創(chuàng)新3D打印設(shè)計(jì)。面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是一種深度結(jié)合3D打印技術(shù)特性與現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的全新設(shè)計(jì)模式。這種設(shè)計(jì)方式不僅突破了傳統(tǒng)制造方法的限制，而且極大地拓寬了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作空間，使得產(chǎn)品形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能以及材料選擇等方面都得以革新，設(shè)計(jì)師能夠充分利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，來創(chuàng)造出更加獨(dú)特、富有創(chuàng)意的產(chǎn)品。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)模式也強(qiáng)調(diào)對(duì)于材料、工藝和成本的優(yōu)化，以確保產(chǎn)品不僅具有出色的外觀和功能，還具備優(yōu)良的性能和合理的成本。此外，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)還注重與用戶的互動(dòng)和反饋。設(shè)計(jì)師通過深入了解用戶的需求和喜好，以及產(chǎn)品在使用過程中的實(shí)際表現(xiàn)，來不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)和滿意度。在實(shí)踐中，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)療器械、家居用品等。這些案例不僅展示了3D打印技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)師們對(duì)于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的探索和追求。綜上所述，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一種集設(shè)計(jì)、制造、優(yōu)化和互動(dòng)于一體的全新設(shè)計(jì)模式。它充分利用了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，為設(shè)計(jì)師提供了更加廣闊的創(chuàng)作空間，同時(shí)也為用戶帶來了更加獨(dú)特、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品體驗(yàn)?；?D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（DesignforAdditiveManufacturing，DFAM）是一種全新的設(shè)計(jì)理念，它充分利用了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化和創(chuàng)新?？偨Y(jié)出面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要包括以下6個(gè)方面，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)靈活性、制造復(fù)雜形狀的能力、個(gè)性化生產(chǎn)、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)、跨學(xué)科合作和快速原型制造等特點(diǎn)?；?D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)正在不斷推動(dòng)制造業(yè)的邊界，為設(shè)計(jì)師提供了前所未有的自由度和可能性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，這些特點(diǎn)有助于推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展，滿足不斷變化的市場需求和用戶期望。6.1.3面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)6.2產(chǎn)品研發(fā)中的創(chuàng)新方法1、頭腦風(fēng)暴法頭腦風(fēng)暴法是一種常用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，其核心思想是通過激發(fā)和整合團(tuán)隊(duì)成員的創(chuàng)意和想法，產(chǎn)生新的創(chuàng)新思路和解決方案。頭腦風(fēng)暴法的原則是在會(huì)議中，團(tuán)隊(duì)成員不受任何限制地自由發(fā)表意見，暢所欲言，充分表達(dá)自己的看法和想法。在這個(gè)過程中，不允許對(duì)其他人的觀點(diǎn)進(jìn)行批評(píng)或評(píng)價(jià)，以確保創(chuàng)造一個(gè)自由、寬松的氛圍，讓每個(gè)成員都能夠充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。頭腦風(fēng)暴法的優(yōu)點(diǎn)是可以激發(fā)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造力，產(chǎn)生大量的創(chuàng)意和想法；缺點(diǎn)是會(huì)議時(shí)間較長，需要充分準(zhǔn)備和組織。6.2.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法頭腦風(fēng)暴聚焦時(shí)，可以通過單點(diǎn)探索流找到客戶和用戶潛在的設(shè)計(jì)需求和最大價(jià)值點(diǎn)。2、屬性列舉法：屬性列舉法是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，特別適用于對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)或開發(fā)新產(chǎn)品。這種方法的特點(diǎn)是將產(chǎn)品的屬性一一列出，然后針對(duì)每個(gè)屬性提出改進(jìn)或改變的構(gòu)想，以達(dá)到創(chuàng)新的目的。優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)產(chǎn)品的屬性和性能進(jìn)行全面深入的分析和研究，從而發(fā)現(xiàn)潛在的改進(jìn)空間和機(jī)會(huì)；缺點(diǎn)是需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力進(jìn)行屬性和方案的分析和整理。實(shí)施步驟如下：（1）確定對(duì)象。（2）列舉屬性。（3）屬性分類。（4）屬性分析。（5）提出改進(jìn)方案。（6）方案評(píng)估與選擇。3、聯(lián)想法：這種方法通過觀察和思考不同事物的共同點(diǎn)或相似點(diǎn)，激發(fā)靈感，產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)思路。例如，在工業(yè)設(shè)計(jì)中，將自然界中的生物形態(tài)或行為方式應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以創(chuàng)造出更加自然、生動(dòng)的設(shè)計(jì)。聯(lián)想法是一種常用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，它通過將不同領(lǐng)域的知識(shí)、技術(shù)、材料等元素相互關(guān)聯(lián)，激發(fā)創(chuàng)新思維，產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)理念和方案。聯(lián)想法可以通過以下步驟進(jìn)行：（1）確定設(shè)計(jì)主題和目標(biāo)。（2）收集信息與知識(shí)。（3）頭腦風(fēng)暴與聯(lián)想。（4）篩選與整合。（5）實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化。聯(lián)想法創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用范圍廣泛，適用于各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作。通過聯(lián)想法，可以將不同領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)相互融合，創(chuàng)造出具有獨(dú)特性和新穎性的設(shè)計(jì)方案，滿足市場需求和推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展。4、仿生設(shè)計(jì)仿生設(shè)計(jì)是一種以自然界生物為靈感來源的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，通過模仿自然界中的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、材料等特征，將這些生物的優(yōu)秀特征應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，提高設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，從而創(chuàng)造出更加符合人體工學(xué)、美觀和實(shí)用的產(chǎn)品，滿足市場需求和推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展。例如模仿蜂巢結(jié)構(gòu)的六邊形柱體可以用于制造更加穩(wěn)定和抗震的建筑材料。仿生設(shè)計(jì)創(chuàng)新可以通過以下步驟進(jìn)行：（1）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。（2）研究生物原型。（3）分析生物原型特征。（4）創(chuàng)新設(shè)計(jì)。（5）實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化。以建筑設(shè)計(jì)為例，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)可以通過模仿生物的形態(tài)來創(chuàng)造出具有獨(dú)特美感和功能的建筑。例如，蜂巢是一種六邊形結(jié)構(gòu)的天然建筑，具有很高的穩(wěn)定性。人們通過模仿蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了許多現(xiàn)代建筑，如巴塞羅那的著名建筑“巴特羅之家”，其外觀采用了類似蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)，使得建筑不僅具有獨(dú)特的美感，而且具有很高的穩(wěn)定性。除了建筑設(shè)計(jì)，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，人們可以通過模仿生物的形態(tài)來創(chuàng)造出更加符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品，如仿生學(xué)鼠標(biāo)、仿生學(xué)座椅等。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以利用仿生設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，模仿生物的運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出高效、節(jié)能、環(huán)保的機(jī)械設(shè)備。在包裝設(shè)計(jì)方面，人們可以通過模仿生物的形態(tài)來創(chuàng)造出更加吸引人的包裝，如模仿花形的香水瓶、模仿動(dòng)物形狀的巧克力包裝等?？偟膩碚f，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)通過模仿自然生物的形態(tài)來創(chuàng)造出新的設(shè)計(jì)，不僅提高了設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，而且滿足了人們對(duì)于美感和功能的需求，推動(dòng)了創(chuàng)新發(fā)展。5、用戶參與設(shè)計(jì)（用戶角色模型）用戶角色模型（Persona），是以用戶為中心設(shè)計(jì)的一種常見設(shè)計(jì)方法與工具。用戶角色模型是根據(jù)用戶調(diào)研創(chuàng)建的虛擬人物，用以表現(xiàn)你所設(shè)計(jì)的服務(wù)、產(chǎn)品、環(huán)境或品牌的不同用戶類型。創(chuàng)建用戶角色模型可以幫助設(shè)計(jì)師了解用戶的需求、通過分析事件動(dòng)機(jī)，了解產(chǎn)品與用戶的行為，發(fā)現(xiàn)用戶痛點(diǎn)，最終明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。在使用Persona這個(gè)設(shè)計(jì)工具時(shí)，一般包括以下步驟：（1）研究用戶：通過用戶研究、調(diào)查和觀察等方法，了解目標(biāo)用戶的特點(diǎn)和需求。（2）創(chuàng)建Persona：根據(jù)研究結(jié)果，創(chuàng)建具有代表性的虛構(gòu)人物，包括他們的姓名、年齡、職業(yè)、興趣等信息。（3）描述Persona：詳細(xì)描述Persona的行為、態(tài)度、目標(biāo)和痛點(diǎn)，以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好地理解用戶。（4）設(shè)計(jì)場景：將Persona應(yīng)用到具體的設(shè)計(jì)場景中，思考他們?cè)谑褂卯a(chǎn)品或服務(wù)時(shí)的需求和期望。（5）評(píng)估設(shè)計(jì)：根據(jù)Persona來評(píng)估設(shè)計(jì)方案的有效性和可用性，確保產(chǎn)品或服務(wù)能夠滿足用戶的需求。6、模塊化設(shè)計(jì)：種方法是將產(chǎn)品分解為多個(gè)模塊或組件，每個(gè)模塊或組件都具有獨(dú)立的功能和可替換性。通過組合不同的模塊或組件，可以創(chuàng)造出多樣化的產(chǎn)品，滿足不同用戶的需求。例如，樂高玩具的設(shè)計(jì)就是采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，用戶可以通過自由組合不同形狀和顏色的模塊來創(chuàng)造出個(gè)性化的玩具。如圖所示模塊化創(chuàng)新書架設(shè)計(jì)，模塊化創(chuàng)新書架設(shè)計(jì)是一種靈活運(yùn)用增材制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的體現(xiàn)，對(duì)人偶模型拆分進(jìn)行模塊化組件設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)個(gè)人愛好替換喜歡的人偶模型，增加其實(shí)用性和美觀性。模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)新是一種將產(chǎn)品或系統(tǒng)分解為獨(dú)立模塊的設(shè)計(jì)方法。每個(gè)模塊具有獨(dú)立的功能和接口，可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和替換，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)和迭代。模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)新具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）靈活性：模塊化設(shè)計(jì)允許根據(jù)需要進(jìn)行模塊的增減和替換，從而快速調(diào)整產(chǎn)品配置，滿足不同需求。（2）降低成本：模塊化設(shè)計(jì)可以降低生產(chǎn)成本和維修成本，因?yàn)槊總€(gè)模塊可以獨(dú)立制造和測試，減少了整體的生產(chǎn)難度和成本。（3）提高設(shè)計(jì)效率：模塊化設(shè)計(jì)可以加快設(shè)計(jì)速度，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師可以同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)模塊，并行進(jìn)行開發(fā)和測試，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。（4）促進(jìn)創(chuàng)新：模塊化設(shè)計(jì)鼓勵(lì)創(chuàng)新，因?yàn)槊總€(gè)模塊都可以獨(dú)立進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而不斷推動(dòng)產(chǎn)品整體的創(chuàng)新和發(fā)展。（5）模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)新的具體應(yīng)用方式因領(lǐng)域而異：在軟件開發(fā)中，模塊化設(shè)計(jì)可以將軟件系統(tǒng)劃分為獨(dú)立的模塊，便于代碼的維護(hù)和擴(kuò)展；在硬件設(shè)計(jì)中，模塊化設(shè)計(jì)可以將設(shè)備劃分為不同的模塊，便于生產(chǎn)和維修；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，模塊化設(shè)計(jì)可以將產(chǎn)品劃分為不同的組件，便于生產(chǎn)和組裝。7、交互設(shè)計(jì)：這種方法是通過考慮產(chǎn)品與用戶之間的交互方式和行為模式，從而創(chuàng)造出更加人性化的產(chǎn)品。例如，智能家居系統(tǒng)可以通過與用戶之間的交互來自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、照明等環(huán)境因素，提高居住的舒適度和便捷性。交互設(shè)計(jì)創(chuàng)新是指在設(shè)計(jì)交互產(chǎn)品或服務(wù)時(shí)，通過創(chuàng)新的方式滿足用戶需求，提高用戶體驗(yàn)的過程。交互設(shè)計(jì)創(chuàng)新可以通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：（1）理解用戶需求。（2）打破常規(guī)。（3）引入情感化設(shè)計(jì)。（4）跨領(lǐng)域合作。（5）持續(xù)迭代優(yōu)化。交互設(shè)計(jì)創(chuàng)新在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如在智能家居領(lǐng)域，通過引入語音交互、智能推薦等功能，提高家居生活的智能化和便捷性；在移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，通過優(yōu)化操作流程、引入個(gè)性化推薦等功能，提高應(yīng)用的易用性和用戶體驗(yàn)。總的來說，交互設(shè)計(jì)創(chuàng)新是提升產(chǎn)品或服務(wù)質(zhì)量、滿足用戶需求的重要手段。通過深入理解用戶需求、打破常規(guī)、引入情感化設(shè)計(jì)、跨領(lǐng)域合作以及持續(xù)迭代優(yōu)化等方式，可以創(chuàng)造出更具競爭力的產(chǎn)品或服務(wù)。8、智能設(shè)計(jì)方法(AI探索流）如圖所示AI探索流海星椅設(shè)計(jì)方法，基于大模型的智能設(shè)計(jì)方法是一種結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。它利用大規(guī)模數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過訓(xùn)練和優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的設(shè)計(jì)，更多海星椅智能設(shè)計(jì)案例可掃碼獲取。基于大模型的智能設(shè)計(jì)方法可以幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、降低設(shè)計(jì)成本，并推動(dòng)創(chuàng)新?；诖竽Ｐ偷闹悄茉O(shè)計(jì)方法的一般步驟包括：（1）數(shù)據(jù)收集和處理。（2）模型訓(xùn)練。（3）模型評(píng)估和優(yōu)化。（4）設(shè)計(jì)應(yīng)用。（5）反饋和迭代?；诖竽Ｐ偷闹悄茉O(shè)計(jì)方法的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于建筑、機(jī)械、電子、服裝、家居等領(lǐng)域。它可以幫助設(shè)計(jì)師快速生成多種設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，降低設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，基于大模型的智能設(shè)計(jì)方法還可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和管理，提高生產(chǎn)效率和競爭力。不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法適用于不同的設(shè)計(jì)領(lǐng)域和需求。對(duì)于3D打印技術(shù)而言，仿生設(shè)計(jì)方法和智能設(shè)計(jì)方法更具性價(jià)比。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模仿自然界生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能來進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。通過模仿這些結(jié)構(gòu)，可以極大地提高產(chǎn)品的性能，減少材料浪費(fèi)，降低制造成本。以大模型為代表的智能設(shè)計(jì)，通過數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，可以預(yù)測產(chǎn)品的性能，優(yōu)化打印參數(shù)，提高打印成功率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制和自動(dòng)化生產(chǎn)，滿足市場的多樣化需求。

運(yùn)用3D打印技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；在智能設(shè)計(jì)時(shí)代非常重要，因?yàn)?D打印技術(shù)使得設(shè)計(jì)更加靈活和自由。以下是幾種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法：1、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)：這種方法通過優(yōu)化物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在保持功能性能的同時(shí)，減少材料的使用量。這種方法可以在設(shè)計(jì)階段就考慮制造過程，從而實(shí)現(xiàn)輕量化和高效制造。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，其基本思想是在給定設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，尋找最優(yōu)的材料分布，使得結(jié)構(gòu)的某種性能達(dá)到最優(yōu)。在3D打印中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)可以用于減少材料的使用量、減輕重量、提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等。6.2.13D打印結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法如圖所示以RenishawAMPD公司的拓?fù)鋬?yōu)化液壓歧管為例：液壓歧管用于引導(dǎo)液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的液體流動(dòng)。它使得設(shè)計(jì)工程師可以將對(duì)液壓回路的控制集成在一個(gè)緊湊的單元內(nèi)。原始液壓歧管。對(duì)流動(dòng)通道進(jìn)行交叉鉆孔并插入堵塞頭，以引導(dǎo)液體的流動(dòng)路線。原始液壓歧管，對(duì)流動(dòng)通道進(jìn)行交叉鉆孔并插入堵塞頭，以引導(dǎo)液體的流動(dòng)路線，提取的流動(dòng)通道截面有明顯突兀的拐角，優(yōu)化后降低拐角突兀程度，以優(yōu)化流動(dòng)性，節(jié)省更多的材料。優(yōu)化后體積減少79%，質(zhì)量減少37%，采用CFD&FEA來輔助設(shè)計(jì)內(nèi)部的流動(dòng)性提升了60%，采用了更強(qiáng)的材料（316L）模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生缺陷的概率更低。（a）優(yōu)化前

（b）優(yōu)化后2、異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：這種方法利用3D打印技術(shù)的自由成形能力，制造出傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀。這種設(shè)計(jì)可以大大提高物體的獨(dú)特性、美觀性及實(shí)用性，布加迪凱龍鈦合金3D打印新型八活塞整體式制動(dòng)卡鉗，每個(gè)前卡鉗上有8個(gè)鈦制活塞，每個(gè)后部裝置上有6個(gè)鈦活塞，制動(dòng)鉗的設(shè)計(jì)采用仿生力學(xué)原理。布加迪新型八活塞整體式制動(dòng)鉗是通過粉末融化技術(shù)3D打印鈦合金制成，確保更高的強(qiáng)度，并且使制動(dòng)卡鉗的重量減輕約40％。由于仿生設(shè)計(jì)存在中空、復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，而且鈦合金材料的強(qiáng)度非常高，獲得這樣的零件技術(shù)難度很大，所以像鑄造或鍛造那樣的常規(guī)方法采用鈦合金材料來制造這樣的制動(dòng)鉗難度是非常大的，而3D打印打開了生產(chǎn)更加復(fù)雜的零件和難加工材料的可行性。3、參數(shù)化設(shè)計(jì)：通過參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)設(shè)計(jì)和個(gè)性化定制。這種方法可以幫助設(shè)計(jì)師更好地理解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，提高設(shè)計(jì)的靈活性和可定制性。鑒于目前的3D打印外固定支具設(shè)計(jì)方法，如圖為3D打印外固定支具參數(shù)化設(shè)計(jì)。4、材料—結(jié)構(gòu)—功能一體化設(shè)計(jì)：其設(shè)計(jì)概念性創(chuàng)新在于：在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)與布局、多層級(jí)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。多功能整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造：以下一代空間探測著陸器“大底”構(gòu)件為例南京航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)提出，該設(shè)計(jì)方法由有著兩大特征及其內(nèi)涵。其一是“適宜材料打印至適宜位置”，從合金和復(fù)合材料內(nèi)部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局3個(gè)復(fù)雜度層級(jí)，揭示了多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵、成形機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑；其二是“獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能”，揭示了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)增材制造的本質(zhì)是分別將優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料及孔隙、最少的材料、天然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)打印至構(gòu)件內(nèi)最合適的位置，提出了基于上述三類典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及增材制造實(shí)現(xiàn)輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰(zhàn)及對(duì)策。5、智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：這種方法利用3D打印技術(shù)制造出具有智能功能的結(jié)構(gòu)，如圖6-17所示的具有各種功能的智能結(jié)構(gòu)，能夠自適應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化和智能化，大大提高產(chǎn)品的使用效率和安全性。將傳感器、執(zhí)行器等智能元件集成到結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化和自主化。這種設(shè)計(jì)方法可以提高產(chǎn)品的自適應(yīng)性和可靠性，滿足復(fù)雜和嚴(yán)苛的工作環(huán)境要求，具體介紹參見8.1章節(jié)4D打印部分。具有各種功能的智能結(jié)構(gòu)：（a）具有熱收縮性能的人造皮膚；（b）金屬墨水直接書寫和電子元件的取放相結(jié)合的平臺(tái)；（c）導(dǎo)電和功能材料的電荷編程調(diào)幅；（d）可變形結(jié)構(gòu)的4D打印。6.33D打印產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)流程創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)流程有以下7點(diǎn)：1、設(shè)計(jì)前期分析：發(fā)現(xiàn)真問題，尋找痛點(diǎn)，找到價(jià)值點(diǎn)。在開始設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)產(chǎn)品需求、功能、目標(biāo)市場和用戶群體進(jìn)行深入剖析。確定產(chǎn)品的核心功能和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及制造過程中需要考慮的工藝限制和材料要求，要與用戶，經(jīng)營者和生產(chǎn)者共情，分析出典型用戶畫像。2、概念設(shè)計(jì)：基于前期分析的結(jié)果，進(jìn)行瘋狂概念設(shè)計(jì)。這一階段主要是盡可能多的提出設(shè)計(jì)方案和有創(chuàng)意的點(diǎn)子，并評(píng)估和選擇最有潛力的方案。通過繪制草圖、制作模型或使用設(shè)計(jì)軟件來探索不同的設(shè)計(jì)方案。3、快速原型：在確定了概念設(shè)計(jì)后，進(jìn)行低保真模型設(shè)計(jì)。這一階段不要專注于細(xì)節(jié)，快速的搭建粗糙的模型，保證能表達(dá)你的核心內(nèi)容即可，立即測試并反復(fù)迭代修改。低保真模型的存在的意義就是修改它直到接近要表達(dá)的概念產(chǎn)品原型。4、3D建模：基于草圖和原型，涉及對(duì)產(chǎn)品的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如尺寸、比例、形狀等。同時(shí)，需要考慮產(chǎn)品的可制造性、可維護(hù)性、可重復(fù)使用性等因素。使用3D設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型。這一過程需要精確地表達(dá)產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸，并確保模型滿足打印要求。對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高打印效率和質(zhì)量。5、模型打印與測試：將3D模型導(dǎo)入到3D打印軟件中，進(jìn)行打印設(shè)置和加工。打印出產(chǎn)品模型后，進(jìn)行測試和驗(yàn)證，以確保其性能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)測試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。6、后期處理與組裝：根據(jù)產(chǎn)品的需要，進(jìn)行必要的后期處理，如表面處理、涂裝、組裝等。確保產(chǎn)品符合生產(chǎn)要求，并進(jìn)行質(zhì)量控制和驗(yàn)收。7、評(píng)估與優(yōu)化：在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，不斷收集用戶反饋和市場信息，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)。保持與利益相關(guān)方的溝通，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足不斷變化的市場需求。6.4基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品1、智能變體飛機(jī)：美國國家航空航天局提出一種未來的智能變體飛機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。該智能變形飛機(jī)的外形可隨外界環(huán)境而產(chǎn)生自適應(yīng)變化，能保持整個(gè)過程中性能最優(yōu)，舒適性高同時(shí)成本降低。飛機(jī)在巡航、起飛、降落和盤旋的時(shí)候，可以自動(dòng)響應(yīng)環(huán)境的變化分別變形至最佳形狀，以獲得各種狀態(tài)下最優(yōu)異的性能。比如，適當(dāng)改變展長可以使得升阻比提高，從而增大航程和航時(shí)；改變弦長可以優(yōu)化升阻比，提高飛行速度和機(jī)動(dòng)性；改變機(jī)翼的彎度可以增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。這是4D打印在航空領(lǐng)域典型的、極具前景的應(yīng)用。3、布朗大學(xué)的仿生蝙蝠翅：為了研究蝙蝠飛行時(shí)的氣動(dòng)力狀態(tài)與飛行機(jī)理，布朗大學(xué)的研究人員以小狗臉果蝠（Cynopterus）做為仿生對(duì)象于2012年建立了一款翅膀具有7關(guān)節(jié)并由3個(gè)電機(jī)利用繩驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行翅膀形態(tài)控制的仿生蝙蝠翅膀該仿生蝙蝠翅采用1：1的尺寸制造，其包括3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和7個(gè)關(guān)節(jié)，由電機(jī)牽引固定于各關(guān)節(jié)的繩子實(shí)現(xiàn)對(duì)翅膀形態(tài)的控制。3、伊利諾斯州立大學(xué)B2：伊利諾斯州立大學(xué)的研究人員于2017年制作了一款仿蝙蝠飛行器B2，該飛行器將關(guān)節(jié)的靈活性以及翅翼膜的彈性薄膜等特點(diǎn)的到了很好的應(yīng)用。最終得到的飛行器翼展469mm，翼型面積0.0694平方米，采用碳纖維機(jī)身，重量僅92g，拍打頻率10HZ上下，拍打角55°。該飛行器膜選擇為硅膠樹脂膜，厚度56微米，延展性高達(dá)600%。屬于小型機(jī)構(gòu)，制作該仿生蝙蝠主要為了研究其空氣動(dòng)力學(xué)特性，以模擬蝙蝠的飛行能力。4、FESTO仿蝙蝠飛行器：該仿生蝙蝠是以體型較大的狐蝠為對(duì)象模擬制造的，故體型較大，翼展228cm，體長87cm，但體重僅580克，如圖6-22所示。同狐蝠一樣它的膀也分為外翼與內(nèi)翼，可以實(shí)現(xiàn)伸展與折疊，在機(jī)構(gòu)外側(cè)，覆蓋著一層彈性膜，從翅膀一直延伸到腳。該飛行器的翅翼膜具有輕，薄，高韌性的特點(diǎn)，它由兩個(gè)氣密薄膜和一個(gè)編織的彈性織物組成，并通過大約45000點(diǎn)處焊接在一起。由于它的彈性，即使當(dāng)翅膀被收回翅翼膜也幾乎保持無折痕。而組成膜的彈性織物的蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以提高膜的韌性，防止飛行膜上的小裂縫變得更大。同時(shí)保證了飛行器在飛行過程中的魯棒性。5、自然界中的一些仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進(jìn)化，自然界的生物已經(jīng)開發(fā)出高性能材料和結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)外部環(huán)境并管理捕食者，其實(shí)這些功能材料可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多材料打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜材料功能一體化模型，從而達(dá)到創(chuàng)新產(chǎn)品所需的特殊結(jié)構(gòu)。仿生技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)自然生物的結(jié)構(gòu)和材料來解決科學(xué)技術(shù)問題。仿生結(jié)構(gòu)的人工制造應(yīng)遵循以下原則：（1）以需求為導(dǎo)向，以滿足工程應(yīng)用的性能要求，即識(shí)別自然界具有特定性能的生物體；（2）基于從宏觀到微觀的表征方法的生物結(jié)構(gòu)分析，這樣可以理解生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、材料的物理和化學(xué)機(jī)制及其與性能/功能的關(guān)系；（3）結(jié)構(gòu)建?；虿牧显O(shè)計(jì)，即從生物結(jié)構(gòu)分析或符合生物材料特性的人工材料中建立宏觀/微觀結(jié)構(gòu)模型。仿生結(jié)構(gòu)中還存在功能梯度材料，功能梯度材料打印可實(shí)現(xiàn)不同硬度和強(qiáng)度需求，像甲殼蟲的外殼，動(dòng)物的牙齒，牙冠表面為強(qiáng)化層，牙髓和牙根為強(qiáng)韌層，這樣“外硬里韌”的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)材料功能一體化打印。新結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)和激光增材制造技術(shù)的使用促進(jìn)了高性能金屬部件的制造。在仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，“形狀”和“屬性”的結(jié)合是關(guān)鍵，其中“形狀”包括從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)的生物結(jié)構(gòu)，“屬性”包括生物功能或機(jī)械性能。最佳的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)簡化為規(guī)則結(jié)構(gòu)。這種規(guī)則結(jié)構(gòu)可以像面心立方（FCC）或體心立方（BCC）晶格結(jié)構(gòu)一樣通用，并可在各種工程應(yīng)用。例如，最經(jīng)典的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)，靈感來自蜜蜂蜂巢。對(duì)于仿生結(jié)構(gòu)的激光增材制造工藝中的材料選擇的范圍相對(duì)較小，主要是因?yàn)榧す饧夹g(shù)和成形質(zhì)量的局限性。激光增材制造仿生結(jié)構(gòu)特性的表征主要集中在其機(jī)械性能上，包括其承載能力、能量吸收和抗沖擊性。這些特性與相應(yīng)的生物結(jié)構(gòu)特性是一致的。功能實(shí)現(xiàn)類似干性能表征，主要包括形狀變化、保護(hù)和熱控制。增材思維（thinkingforAM）：也常被稱為“加法思維”或“累加思維”，是一種生成式創(chuàng)新，它強(qiáng)調(diào)通過不斷地添加、組合新的元素或想法來解決問題或創(chuàng)造新事物。增材