增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品 課件 第7章 增材制造創(chuàng)新綜合應(yīng)用實例

第7章增材制造創(chuàng)新綜合應(yīng)用實例增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品目錄contents3217.33D打印筆7.2踝足矯形器7.1靜脈槍案例導(dǎo)入上幾章學(xué)習(xí)了增材制造技術(shù)原理，各種打印材料，軟件，及打印設(shè)備操作方法，如何將它們?nèi)跁炌ɡ闷饋碓O(shè)計一款3D打印的創(chuàng)新產(chǎn)品呢？本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)掌理解并掌握3D打印在產(chǎn)品設(shè)計與制作中的基礎(chǔ)應(yīng)用流程。理解逆向工程在零件設(shè)計優(yōu)化和制造中的關(guān)鍵作用，并學(xué)會應(yīng)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行零件的精確測量和數(shù)據(jù)分析。2、能力目標(biāo)能夠利用3D打印技術(shù)制作出符合要求的零部件，并理解其在實際應(yīng)用中的價值。培養(yǎng)應(yīng)用逆向工程獲取復(fù)雜曲面的精確數(shù)據(jù)的能力，并理解其在復(fù)雜曲面設(shè)計中的應(yīng)用價值。培養(yǎng)利用逆向工程技術(shù)獲取高深度模型精確數(shù)據(jù)的能力，并熟悉數(shù)據(jù)處理和分析的方法。能夠應(yīng)用逆向工程技術(shù)對零件外殼進(jìn)行精確測量和數(shù)據(jù)分析，并熟悉其在精度檢測中的應(yīng)用方法。掌握利用逆向工程結(jié)合3D打印技術(shù)制作符合患者需求的康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)品原型的能力。理解3D打印技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢和潛在問題，并學(xué)會提出改進(jìn)措施。

培養(yǎng)創(chuàng)新思維與設(shè)計意識和增強(qiáng)跨學(xué)科融合能力。3、素養(yǎng)目標(biāo)學(xué)會在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中考慮倫理因素，確保設(shè)計方案合理性和可持續(xù)性。

培養(yǎng)社會責(zé)任感和奉獻(xiàn)精神，關(guān)注增材制造技術(shù)在社會中的應(yīng)用和影響，為社會發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。7.1逆向建模與3D打印綜合實例——靜脈槍醫(yī)療器械產(chǎn)品PROE逆向設(shè)計高階建模案例——靜脈槍產(chǎn)品如圖所示：由于需要建模的零部件較多，這里以上殼建模的過程為例，講解建模的思路和導(dǎo)入Rhino軟件后的操作方法。1.先把掃描的STL文件導(dǎo)入到犀牛中，通過犀牛把多余的雜面給刪除。（如果點擊雜面，出現(xiàn)雜面與大身相連的情況，需要把整體選擇，在進(jìn)行炸裂，使所有相連的面進(jìn)行分離。）2.將模型與犀牛的全局坐標(biāo)對齊，對齊后保存stl文件，將保存的文件導(dǎo)入到proe里，proe的坐標(biāo)也自動會和模型對齊，這步驟我們稱為“對坐標(biāo)”。（對坐標(biāo)時要尋找模型的特殊特征，比如模型的平面、圓形等，這些特征能夠真正的輔助于我們對齊坐標(biāo)，這樣對齊坐標(biāo)會更加容音，會更加準(zhǔn)確，后期建模也會很方便。）3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點擊“文件”選項卡里的“新建”，彈出“新建”對話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點擊“插入”選項卡，點擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點擊“文件”選項卡里的“新建”，彈出“新建”對話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點擊“插入”選項卡，點擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點擊“文件”選項卡里的“新建”，彈出“新建”對話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點擊“插入”選項卡，點擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會出現(xiàn)一系列的未知的問題。3.處理完后的模型導(dǎo)入proe軟件里。（必須先打開proe軟件，在菜單欄中，點擊“文件”選項卡里的“新建”，彈出“新建”對話框，在proe里只能以英文命名，不允許出現(xiàn)中文，否則新建文件失敗，取消勾選“使用缺省模板”，找到公制單位模板“mmns”,進(jìn)入零件里面后，點擊“插入”選項卡，點擊“共享數(shù)據(jù)”，然后“自文件”，選擇要導(dǎo)入的模型，確定彈出“導(dǎo)向選項”，掃描模型導(dǎo)入成功。）必須按上述的步驟導(dǎo)入模型，不然會出現(xiàn)一系列的未知的問題。4.前期數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)入完成后，開始正式的逆向建模。首先將模型的外輪廓用樣條曲線草繪出來。5.在繪制一條草繪線，該草繪后期需與所做的基準(zhǔn)面相交出參考點。6.在需要做基準(zhǔn)面的地方拉伸曲面。7.利用前面畫的草繪和做的基準(zhǔn)面相交做參考點。8.在各個基準(zhǔn)面上畫各截面的輪廓草繪。9.根據(jù)前面所畫的草繪線，利用邊界混合出曲面。大概的操作步驟就講到這里，下面講解一下總體逆向建模思路和技巧：對齊到正向建模軟件的坐標(biāo)系，這步是前期處理模型，可以用geomagic或者其他的讓軟件做，但是犀牛（Rhino）做起來是最簡單的，可以快速的刪除沒用的數(shù)據(jù)擺正坐標(biāo)，做完這步就可以導(dǎo)出stl文件到ProE里建模了，因為這步只是做外殼所以只用一半的模型就好了，強(qiáng)行用兩部分模型放在一起對齊坐標(biāo)也沒用，軟件處理都會有誤差。到時候鏡像就是另外一半的模型了。導(dǎo)入模型到ProE里，導(dǎo)入模型的時候最好不要直接把stl文件直接拖入proe里，這樣系統(tǒng)不自帶坐標(biāo)和基準(zhǔn)面，用數(shù)據(jù)導(dǎo)入比較好。沿邊緣描線做輪廓。描線的原則是倒角不描，如果是標(biāo)注的圓用標(biāo)準(zhǔn)的圓，直接用直線描，其他的盡量用弧線貼合邊緣。構(gòu)建曲面草圖的基準(zhǔn)面，這里的小技巧是不用基準(zhǔn)面去做，只用拉伸的折線面做比較好，這樣做出來的基準(zhǔn)面比較好控制，哪里需要在哪里加就可以了，也方便修改。注意，這里的基準(zhǔn)面只能用直線不用弧線做，否則拉伸出來的就是弧面不能做基準(zhǔn)面用的。哪里需要做基準(zhǔn)面的原則是哪里變形大就哪里加基準(zhǔn)面，不是基準(zhǔn)面加的越多月好，兩根直線是一個平面，如果中間人工加了太多的控制線得出來的曲面是會不光滑的，還有就是我們構(gòu)建曲面也不是一次成型的，需要看要求分開做，一次成型的大面很容易變形。還有就是proe畫草圖的時候會自己生成很多約束關(guān)系，不必要的約束關(guān)系要刪除掉，這樣才不會修改一部分草圖就影響到另外的草圖導(dǎo)致不可控制的后果。做輪廓線確定的尺寸最好標(biāo)注后直接鎖定標(biāo)注，這樣才不會畫好的草圖隨意的飄，如果是對稱的模型在邊緣處一定要是和基準(zhǔn)面垂直，如果是曲線的話要標(biāo)注是和基準(zhǔn)面是90°，這樣鏡像出來得到的另外一面才不會有棱角。建模的時候要先抓大的結(jié)構(gòu)，小曲面的處理要后面修補(bǔ)，如果不先做大面一個一個小的曲面縫合起來模型會不光滑。多根多段曲線邊界混合的時候可能會出現(xiàn)多個曲面的現(xiàn)象，這要求我們在邊界混合里的控制點中把點對齊，這樣就不會出現(xiàn)多個曲面了，這個在視頻里面會有詳細(xì)說明。構(gòu)建曲面的時候不應(yīng)該先倒角，要先處理大的曲面后面統(tǒng)一倒角，要不會有很多小碎面。拉伸一個弧面然后在造型里面使用造型在曲面上的線是一種比較好的做空間曲線的方法。有曲面過渡的模型構(gòu)建實體建議是先構(gòu)建曲面后實體化最后抽殼，不建議構(gòu)建曲面后直接加厚，那樣會有很多莫名的問題。抽殼小技巧，如果模型不能抽殼可以用分析半徑然后點選曲面去測量曲面可以得到的最小的抽殼厚度，還有一個方法是先倒一個小一些的圓角，然后觀察殼體結(jié)構(gòu)線，如果結(jié)構(gòu)線相交了那這里就問題點，注意：如果要抽殼2.0mm倒角最好是大于2.0mm。對于凸出的結(jié)構(gòu)體使用復(fù)制曲面然后實體化切除不需要的模型是一個常用的方法。做對稱的模型最好用top-down模式，有一個主控文件，主控文件一般是把模型的外殼可螺絲柱定位好，然后通過插入共享數(shù)據(jù)復(fù)制幾何去把主控文件發(fā)布出去，然后再在子零件中復(fù)制幾何，修改大體模型主要在主控文件中修改，子文件主要加螺絲柱加強(qiáng)筋等等。實體化是一個很好用的切割工具命令。替換面可以做細(xì)節(jié)，把兩個面合并到一起。這個用實體去填缺陷的方法可以注意下，挺常用。在一個零件上去拆另外一個零件主要的方法就是復(fù)制這個零件的面然后去偏移得到另外一個零件的結(jié)構(gòu)，把兩個零件分開的主要方法就是實體化，然后把分開的兩個部分用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何拆開成單獨的零件。抄數(shù)由于數(shù)據(jù)可能不是那么精準(zhǔn)畫出一半以后要使用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何傳遞數(shù)據(jù)，不能死摳掃描的數(shù)據(jù)，一塊一塊的話，要不做出來的模型肯定出錯，有些結(jié)構(gòu)是定位用的，有些是壓pcb板的，要看用途，不同類型的結(jié)構(gòu)畫圖精度也是不一樣的。發(fā)布幾何的意思類似于你是項目主管，你把項目分成了不同的部分，然后派發(fā)出去，復(fù)制幾何就是你拿到你的任務(wù)然后在這個任務(wù)上繼續(xù)細(xì)化，這種拆分結(jié)構(gòu)的方法叫TOP-DOWN，網(wǎng)上有很多教程可以看看。7.2生物逆向工程與3D打印拓?fù)鋬?yōu)化綜合實例——踝足矯形器以足內(nèi)翻患者的踝足矯形器為設(shè)計對象，傳統(tǒng)工藝制作的石膏熱塑板踝足矯形器產(chǎn)品笨重，氣密性低，患者依從性低，長時間佩戴后可能會對患者骨突等壓力敏感區(qū)造成擠壓、皮膚潰爛等問題，且這種工藝制作流程復(fù)雜，勞動力大，矯形器師和骨科醫(yī)師短時間內(nèi)很難掌握，其取型時還需準(zhǔn)備噴漿石膏繃帶、度尺、剪刀、凡士林、水槽、取型服、毛巾、直尺、記號筆、木墊塊、大號卡尺、切割軟管等物品，制作效率低?？紤]到上述問題，現(xiàn)多采用計算機(jī)數(shù)字化設(shè)計3D打印踝足矯形器，這種技術(shù)方法較于傳統(tǒng)工藝制作效率更高，且骨科醫(yī)師容易掌握，產(chǎn)品質(zhì)量輕、透氣性強(qiáng)、美觀、患者依從性也更高，其設(shè)計制作流程如右圖所示。DICOM影像資料獲?。航?jīng)知情同意，招募1名健康男性志愿者(25歲，身高172cm，體質(zhì)量66kg)，無足部畸形、損傷及肌肉病史。采用飛利浦PhilipsBrilliance64層螺旋CT機(jī)對志愿者足踝部進(jìn)行掃描，層間隔為0.625mm，最終獲得掃描斷層數(shù)量為410層，將Dicom格式的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件。7.2.1CT數(shù)據(jù)采集踝足模型建立是通過CT影像技術(shù)對骨骼、軟組織模型進(jìn)行三維重建，基于逆向工程技術(shù)完成了足部骨骼、軟組織等三維模型的NURBS曲面重構(gòu)與數(shù)據(jù)優(yōu)化，得到符合人體生理解剖特征且精度較高的幾何模型。7.2.2踝足模型建立1、Mimics數(shù)據(jù)處理：首先將獲取的DICOM斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，軟件自動生成冠狀面、水平面和矢狀面的斷層圖像，觀察圖像并分析，為提高建模效率，視建模復(fù)雜情況選擇最利于重建三維模型的平面即可，并不需要三個平面圖像均處理。選擇Newproject功能，導(dǎo)入文件。這時只顯示圖層影像視圖，并不顯示虛擬三維模型，選擇Segment工具欄下的Threshold命令，閾值區(qū)間范圍可以自定，也可根據(jù)軟件自動生成的Bone（CT）閾值來選擇，設(shè)原始圖像為f(x，y)，按照一定得閾值規(guī)則在f(x，y)中確定若干門限值H1，H2，...，HN（N≥1），骨骼閾值灰度一般為226-1821，軟組織閾值灰度一般為37-276。2、導(dǎo)出初始模型：接著選擇Mask3DPreview，使實體模型顯示出來。此時生成的模型和其他骨骼相粘連，因文章主要研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，故主要建立足部所有骨骼和小腿部位的脛骨與腓骨。3、Studio數(shù)據(jù)處理：使用Mimics軟件得到的骨骼、軟組織模型較原始模型精度有明顯提高，但表面仍有粗糙雜點、尖刺無法去除、大量三角面片重疊、相交的現(xiàn)象，且STL數(shù)據(jù)模型不是真正實體，在正向建模中無法對模型進(jìn)行修改設(shè)計，還需使用GeomagicStudio軟件經(jīng)過逆向建模流程進(jìn)一步優(yōu)化處理得到表面精度更高、更符合生理解剖學(xué)、真實度更高且可用于后續(xù)有限元仿真的三維實體模型。4、完整踝足模型：最后導(dǎo)出處理完整的踝足模型。使用Geomagic對模型重復(fù)跟骨的多邊形處理階段后，需繪制出踝足矯形器的初始輪廓邊界，進(jìn)而裁剪。在Geomagic里使用“曲線”繪制功能描繪矯形器初始邊緣，本文主要研究踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，患者踝關(guān)節(jié)處活動自由度受限，故繪制時將內(nèi)外踝附近范圍進(jìn)行包裹，便于后期患者的康復(fù)。矯形器對內(nèi)外踝包裹覆蓋范圍應(yīng)視患者具體情況而定，輪廓線參照上面踝足矯形器設(shè)計制造流程圖。7.2.3輪廓線取型通過輪廓線裁剪得到初始矯形器輪廓后，再通過偏移命令對矯形器進(jìn)行加厚處理，得到矯形器初始模型，接下來對矯形器初始模型進(jìn)行修型，矯形器的前足部位設(shè)計時可達(dá)到人體足底的三分之二，或覆蓋全足并適當(dāng)延申，且矯形器的前足滾動邊需前翹約1cm，目的是患者穿戴以后方便行走的同時提高舒適度，故對初始矯形器的前足進(jìn)行修型。前足滾動邊修型后，矯形器的開合兩邊處應(yīng)盡量滿足平行條件，目的是保持并不影響患者在佩戴踝足矯形器后對皮膚的三點力干預(yù)，保證矯正康復(fù)效果，其次是提高美觀度，最終得到完整矯形器模型。7.2.4生成矯形器模型7.2.5矯形效果仿真內(nèi)翻10°第五跖骨第四跖骨第三跖骨第二跖骨第一跖骨矯正前（Mpa）9.89565.80343.18621.51881.0753矯正后（Mpa）8.38366.74903.42911.61301.0838（a）矯正前

（b）矯正后運用ANSYS中的Workbench模塊仿真分析基于三點力原理足內(nèi)翻矯形器的矯正效果，對比冠狀面、水平面三點力矯形效果，通過網(wǎng)格劃分與設(shè)置材料屬性，施加載荷與邊界約束，對矯形器的矯正效果進(jìn)行評估，在滿足人體下肢痛閾時得出兩平面聯(lián)合作用下的矯正力系統(tǒng)效果最佳，具體矯形效果仿真分析的步驟就不詳細(xì)解釋了，這里只展示結(jié)果。在水平面和冠狀面兩平面三點力矯正的作用下，外側(cè)第五跖骨最大壓力由9.8956MPa降低至8.3836MPa，降低了15.28%，外側(cè)跗跖關(guān)節(jié)處應(yīng)力也有顯著改善，而內(nèi)側(cè)第四至第一跖骨分?jǐn)傊涡Ч黠@增加，由有限元仿真的視頻動畫顯示，足踝關(guān)節(jié)處有明顯的外翻動作，在放大變形比例（Autoscale）下的后足位移角度測量結(jié)果如圖14所示，跟骨內(nèi)翻角由10°矯正至7.25°，內(nèi)翻角度改善27.5%。故可認(rèn)為設(shè)計的矯形器通過施加三點力對矯正足內(nèi)翻改善跖骨受力情況是完全有效的。7.2.5矯形效果仿真材料使用的PLA，將制作的踝足矯形器X_T文件導(dǎo)入ANSYS，相關(guān)材料機(jī)械屬性可在已被發(fā)表的期刊論文里找，將矯形器底部表面施加固定約束，上部表面模擬穿戴時的受力，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析。上述邊界條件與優(yōu)化設(shè)計空間設(shè)定完成后進(jìn)行求解計算，保留質(zhì)量為40%、50%、60%的分析結(jié)果如上圖7-366所示，能夠看出，三種方案優(yōu)化后的鏤空區(qū)域基本相差不大，均在矯形器的上部、右側(cè)下部、左側(cè)下部分。這些區(qū)域可利用正向建模設(shè)計軟件將模型挖孔來重構(gòu)，但也不能根據(jù)ANSYS的優(yōu)化結(jié)果大量打孔去除材料，如果矯形器模型表面這些優(yōu)化區(qū)域過于空洞，會降低矯形器的機(jī)械強(qiáng)度與力學(xué)性能，無法保證患者的矯正與康復(fù)效果。矯形器保留40%、50%、60%質(zhì)量優(yōu)化結(jié)果如下所示。7.2.6拓?fù)鋬?yōu)化仿真依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對模型進(jìn)行鏤空設(shè)計，將矯形器三維模型文件導(dǎo)入Rhino的Grasshoppper插件中，將模型擺放整齊，利用特征曲線提取、特征曲線切分等命令進(jìn)行設(shè)計，泰森多邊形紋理是鏤空最佳方案，可保證矯形器滿足力學(xué)性能的前提下達(dá)到減少質(zhì)量的要求，提高經(jīng)濟(jì)性要求，故本設(shè)計使用泰森多邊形對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)有限元結(jié)果來控制泰森多邊形的鏤空半徑、數(shù)量、間隔距離。具體的設(shè)計程序這里就不過多展示了，下面是Rhino軟件對矯形器模型的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如下圖所示。7.2.7輕量化鏤空設(shè)計完成踝足矯形器輕量化鏤空設(shè)計后，因后續(xù)將使用熱塑性樹脂材料進(jìn)行打印，為保證其剛度，三種方案的矯形器力學(xué)性能還需進(jìn)一步驗證，目的是篩選出最佳的設(shè)計方案。此部分需要控制單一變量，及在矯形器厚度均一致的前提下進(jìn)行篩選，這里使用的矯形器厚度為4mm（單一變量）。將矯形器模型導(dǎo)入ANSYS軟件使用靜力學(xué)與動力學(xué)模塊分別進(jìn)行分析，其結(jié)果如下圖所示。仿真結(jié)果顯示最大集中應(yīng)力均小于PLA的抗拉強(qiáng)度（59Mpa），不會發(fā)生斷裂，鏤空前的矯形器質(zhì)量為408.8克，經(jīng)過對比，在均滿足強(qiáng)度性能的前提下，且質(zhì)量最小，此鏤空設(shè)計為最佳選擇。7.2.8矯形器應(yīng)力仿真在打印踝足矯形器前，應(yīng)充分考慮矯形器開合兩邊處綁帶的安裝位置，矯形器開合兩邊應(yīng)與人體小腿軟組織緊密貼合，故需要對矯形器兩邊進(jìn)行打孔，便于綁帶和尼龍搭扣元件的裝配。將矯形器STP模型導(dǎo)入Solidworks軟件對其進(jìn)行打孔，根據(jù)市面上的各類矯形器鉚釘直徑進(jìn)行設(shè)計，圓孔直徑不宜過大，也不宜過小，本文將圓孔直徑設(shè)為4mm，并在矯形器三點矯正力施加部位設(shè)置多個孔洞，可與綁帶聯(lián)合作用進(jìn)行微調(diào)，提高患者的舒適度，方便鉚釘插入矯形器進(jìn)行固定。如矯形器的配件如鉚釘、方形圈、綁帶以及尼龍搭扣，使用草圖繪制、旋轉(zhuǎn)、凸臺拉伸、切除拉伸、掃描等功能完成正向建模設(shè)計。矯形器打孔完成后，將模型STL文件導(dǎo)入Geomagicstudio或MaterialiseMagics軟件對模型進(jìn)一步檢查、修復(fù)模型交叉、重疊、自相交曲面，這樣可提高打印后的產(chǎn)品精度。最終完成的踝足矯形器三維幾何如右圖所示。7.2.9配件設(shè)計完成上述前處理操作后即可進(jìn)行3D打印，本文采用實驗室自研的FDM3D打印機(jī)進(jìn)行打印。在切片軟件Cura中調(diào)整好擺放位置后，依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，將打印機(jī)的最佳打印工藝參數(shù)調(diào)整為層厚0.2mm，打印速度30mm/s，打印溫度為224℃，使用材料為具有生物相容性且環(huán)保的熱塑性樹脂聚乳酸（PLA）。打印完成后再進(jìn)行打磨、配件裝配等后處理工作，完成的個性化踝足矯形器見下圖所示。7.2.10打印成品展示7.3正向創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計與3D打印綜合實例——3D打印筆本產(chǎn)品結(jié)合人機(jī)工程學(xué)與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計了一款全新的3D打印筆如右圖，并為之加上獨特的矯正偏移模式、創(chuàng)作配套的造型書籍，為自閉癥兒童在的治療提供一種全新的以3D打印為樂趣的解決方案。本產(chǎn)品充分利用3D打印筆的特性，吸引兒童乃至自閉癥兒童的的興趣，鍛煉使用者的空間構(gòu)成能力與藝術(shù)美感，給用戶兒童提供一種較低成本的科普途徑?；趯⒆蚤]癥兒童從自己的思維里面解放出來的基本思想，兒童在描繪圖標(biāo)時，通過學(xué)習(xí)這些標(biāo)識，可以幫助他們對運動軌跡的捕捉。讓他們沿著這些曲線去練習(xí)，運用這樣的方法為他們的康復(fù)提供一定的幫助，有利于提高他們學(xué)習(xí)這些知識的專注力和立構(gòu)能力。7.3.1總體設(shè)計構(gòu)思通過對兒童人機(jī)的分析，我們決定把兒童手抓握部位做到盡可能的細(xì)小。如下圖所示，首代3D打印筆概念及草圖模型，靈感來自于海豚，整體外觀呈紡錘形體，順滑優(yōu)美的弧度曲線。二代打印筆草繪模型在前一代的基礎(chǔ)上加寬了筆體，同時將按鍵放在一起，更符合兒童手掌抓握給孩子更好的體驗，三代打印筆草繪模型主體采用四棱柱，在使用時更易抓握，由于內(nèi)部硬件PCB和輕觸按鍵的尺寸要求，兩側(cè)殼體單邊壁厚2mm，我們最終確定最小尺寸部分達(dá)12mm左右，這個尺寸是符合兒童抓握的，因為在一些兒童使用的水彩筆中，水彩筆的徑向尺寸大小有在12mm左右的。對于這款打印筆的按鍵設(shè)計，我們也是盡可能的做得大些，這樣在用戶他們按起來沒那么費勁，由于用戶在按按鍵的時候，指面接觸的面積增大了，會極大的減少用戶手指的按壓感，這樣能給用戶長時間使用帶來舒適性。不僅如此，我們在功能上也對一些常用或一直需要按壓的按鍵做了程序上的設(shè)計，比如打印筆的出絲鍵，按一下他就出絲，松開則不出絲，用戶在使用這個功能的時候，大多是需要打印筆持續(xù)出絲使用的，所以需要用戶一直按著出絲鍵不松開，才能實現(xiàn)這樣持續(xù)出絲的功能，長時間5分鐘、10分鐘和20分鐘的持續(xù)按著，手指會很僵硬很累，甚至?xí)霈F(xiàn)手指表層向內(nèi)凹陷。所以通過PCB里設(shè)計的程序，連續(xù)按兩下出絲鍵可達(dá)到自動出絲的效果。7.3.1總體設(shè)計構(gòu)思這款3D打印筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計就相當(dāng)?shù)膹?fù)雜了，設(shè)計到很多機(jī)械結(jié)構(gòu)和注塑結(jié)構(gòu)的知識。如下圖所示，這款打印筆涉及的結(jié)構(gòu)太多，我就選其中一些典型結(jié)構(gòu)出來做解釋。比如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這款打印筆的顯示屏幕設(shè)計也是符合用戶觀看視覺的，在屏幕的大小尺寸選擇時，我們的原則是做到盡可能的大，盡可能的把用戶需要的信息反饋完全，而且還有跟外觀整體的比例大小搭配，屏幕上需要顯示當(dāng)前材料、當(dāng)前溫度和該材料的最高溫度、出絲速度檔位、正常模式或矯正模式、矯正角度的設(shè)定、設(shè)定的時間檔位調(diào)節(jié)等。還需要考慮在長期使用中，保護(hù)好屏幕不被摩擦刮花，因為刮花了就會對用戶觀看屏幕反饋的信息有影響，所以需要設(shè)計一個透明的保護(hù)蓋保護(hù)屏幕。7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與proE正向建模舉完該打印筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的例子，接下來講講塑膠結(jié)構(gòu)設(shè)計的例子。就拿典型的透明顯示保護(hù)屏和上殼連接作為例子。顯示保護(hù)屏為透明的PS材料，上殼為ABS材料。有兩種結(jié)構(gòu)可以將這兩零件連接在一起，分別是超聲熔線和熱熔柱結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都能使得兩個零件能緊固的連接在一起，并且在外觀上看不到任何連接的痕跡。我們把這兩種結(jié)構(gòu)作對比，超聲熔線結(jié)構(gòu)相比于熱熔柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。所以后面我們選擇了熱熔柱結(jié)構(gòu)。熱熔柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮到熱熔柱穿過上殼，預(yù)留出來的長度和虛位。長度留長了，可能會引起熱熔后和其他零件存在干涉；長度留短了，會造成不好熱熔后熱熔失敗，連接不緊固等問題。預(yù)留出來的虛位應(yīng)正好合適，虛位過小會引起熱熔前期裝配困難，效率低下；虛位過大，可能引起熱熔后不緊固，通過透明件的外觀會看到熱熔的結(jié)構(gòu)，影響整體外觀的美觀性。打印筆里面同樣也蘊含很多的塑膠結(jié)構(gòu)，細(xì)致的建模流程和模型展示在掃碼獲取，在這里就不進(jìn)行詳細(xì)解釋了，如下圖所示，設(shè)計完整的模型利用proE軟件將其建模裝配出來。7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與proE正向建模7.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與proE正向建模如下圖所示，此設(shè)計的3D打印筆有著國內(nèi)首創(chuàng)偏移矯正功能，可以精準(zhǔn)控制抓握姿態(tài)，為兒童提高專注力提供了新的思路，實現(xiàn)了專注力訓(xùn)練的特殊功能。偏移矯正功能便是監(jiān)測角度，超過所設(shè)矯正角會提醒，并且指示燈開始閃爍，達(dá)到糾正他的專注度以及書寫姿勢的作用。在他們使用模板繪制圖形時，就能檢測到他們使用打印筆時，打印筆傾斜的角度?？梢越o矯正功能設(shè)置一個角度偏移的大范圍，比如以PCB垂直為0°，旋轉(zhuǎn)一周偏移的45°均可以檢測得到，但在0°-45°之間，還是可以通過按鍵調(diào)節(jié)檢測角度范圍的大小。這樣在自閉癥兒童在訓(xùn)練平衡力的時候，可以由角度偏移較大慢慢達(dá)到角度偏移小的趨勢發(fā)展，在他們使用的時候，所偏移的角度會在顯示屏上顯示，偏移量超過了所設(shè)定的矯正角度時，打印筆會發(fā)出警報聲，并伴有紅燈提示，幫助他們及時矯正不平衡姿勢。當(dāng)他們在規(guī)定時間內(nèi)使用時，發(fā)生矯正警報時，及時進(jìn)行矯正回來，則不記偏移次數(shù)，當(dāng)他們超過1秒后還沒進(jìn)行矯正，則記為一次，后面記數(shù)則累加，后期也可以通過在規(guī)定時間內(nèi)完成模板繪制，總矯正警報了多少次，后期可以通過完成同一個模板，矯正警報的次數(shù)的多少，來衡量自閉癥兒童平衡力訓(xùn)練的進(jìn)步性。7.3.3矯正偏移系統(tǒng)設(shè)計7.3.3矯正偏移系統(tǒng)設(shè)計7.3.4PTC電路板設(shè)計將3D打印機(jī)的控制電路裝換為PCB控制板，如下圖所示從而極大地縮小了各個部位機(jī)器所占的空間。打印筆將3D打印機(jī)的噴頭改裝為陶瓷頭和黑色的加熱筆頭，通過上面部分將材料送入筆頭，用筆頭將材料加熱送入陶瓷頭擠出從而打印出軌跡。將3D打印機(jī)原有的絲杠結(jié)構(gòu)等全部用人手代替，帶動著打印筆畫出使用者想要的軌跡。打印筆的馬達(dá)用到6級齒輪減速和一級蝸輪蝸桿，6級齒輪就只起到了減速作用，但那一級蝸輪蝸桿不僅起到了減速，還起到了直角變位作用，也就將馬達(dá)直線輸出改為直角輸出。通過這個電機(jī)從而將材料卷入筆中進(jìn)行下一步的加熱操作。7.3.4PTC電路板設(shè)計7.3.4PTC電路板設(shè)計

PCB板研發(fā)流