增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品 課件 第6、7章 3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計、增材制造創(chuàng)新綜合應(yīng)用實例

第6章3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計增材制造與創(chuàng)新設(shè)計：從概念到產(chǎn)品目錄contents3216.33D打印產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計流程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？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無人機本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)理解增材思維、設(shè)計思維、增材制造創(chuàng)新思維，并理解其與傳統(tǒng)設(shè)計思維的區(qū)別。掌握3D打印創(chuàng)新設(shè)計的定義、主要特點以及產(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)計流程，包括需求分析、設(shè)計構(gòu)思、建模優(yōu)化、打印制作以及測試評估等環(huán)節(jié)。2、能力目標(biāo)根據(jù)增材制造設(shè)計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。通過實際操作，提升在3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的方案規(guī)劃與實施能力。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)計的實踐中。根據(jù)3D打印結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，學(xué)會深入理解3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的獨特優(yōu)勢，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、輕量化設(shè)計、一體成型等。通過實踐案例分析，掌握利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能性設(shè)計的方法與技巧。3、素養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合3D打印技術(shù)與其他學(xué)科（如機械工程、材料科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計等）的知識，培養(yǎng)跨學(xué)科的設(shè)計思維。

了解并欣賞基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品，分析其設(shè)計特點和市場價值。同時，應(yīng)能夠欣賞這些產(chǎn)品的設(shè)計美學(xué)和實用性，激發(fā)自身的創(chuàng)新設(shè)計靈感。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)動的正向設(shè)計。增材制造技術(shù)帶來的全新設(shè)計可能性，將顛覆傳統(tǒng)設(shè)計模式，催生制造業(yè)的設(shè)計革命。6.1.1增材制造創(chuàng)新思維概述2、設(shè)計思維（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)化為客戶價值和市場機會。作為一種思維方式，設(shè)計思維被普遍認(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)計與實踐。設(shè)計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)計師的思維去設(shè)計”，它是一種創(chuàng)新方法論，更是解決問題的路徑。所以當(dāng)我們面對增材技術(shù)，用設(shè)計思維的邏輯去指導(dǎo)商業(yè)實踐就能產(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)新思維實際是面對復(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。這種思維模式強調(diào)設(shè)計自由度的提升、個性化定制、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)在多個層面，它不僅僅是一種技術(shù)實現(xiàn)，更是一種全新的設(shè)計哲學(xué)和方法論。以下是關(guān)于3D打印創(chuàng)新設(shè)計思維的核心要點：1、無約束的創(chuàng)意思維。2、以用戶為中心的設(shè)計思維。3、跨領(lǐng)域的整合思維。4、可持續(xù)性和環(huán)保的設(shè)計思維。5、迭代與優(yōu)化的設(shè)計思維。在實際應(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)計定義：是指在設(shè)計過程中，充分利用3D打印技術(shù)的獨特優(yōu)勢和特性，進行具有創(chuàng)新性、突破性的產(chǎn)品設(shè)計。這種設(shè)計方式不僅關(guān)注產(chǎn)品的外觀和功能，更強調(diào)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料選擇以及制造過程的優(yōu)化，以實現(xiàn)更高效、更靈活、更個性化的產(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)計定義這種設(shè)計方法主要強調(diào)功能性，以實現(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、實現(xiàn)材料的最優(yōu)利用等。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，面向3D打印的設(shè)計更加注重創(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)飾的個性化創(chuàng)新3D打印設(shè)計。面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計，是一種深度結(jié)合3D打印技術(shù)特性與現(xiàn)代設(shè)計理念的全新設(shè)計模式。這種設(shè)計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)造出更加獨特、富有創(chuàng)意的產(chǎn)品。同時，這種設(shè)計模式也強調(diào)對于材料、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)計還注重與用戶的互動和反饋。設(shè)計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際表現(xiàn)，來不斷優(yōu)化設(shè)計方案，提升產(chǎn)品的用戶體驗和滿意度。在實踐中，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用于多個領(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)計師們對于創(chuàng)新設(shè)計的探索和追求。綜上所述，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計是一種集設(shè)計、制造、優(yōu)化和互動于一體的全新設(shè)計模式。它充分利用了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，為設(shè)計師提供了更加廣闊的創(chuàng)作空間，同時也為用戶帶來了更加獨特、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品體驗?；?D打印的創(chuàng)新設(shè)計（DesignforAdditiveManufacturing，DFAM）是一種全新的設(shè)計理念，它充分利用了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，以實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化和創(chuàng)新?？偨Y(jié)出面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計的特點主要包括以下6個方面，面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計具有設(shè)計靈活性、制造復(fù)雜形狀的能力、個性化生產(chǎn)、創(chuàng)新性設(shè)計、跨學(xué)科合作和快速原型制造等特點?；?D打印的創(chuàng)新設(shè)計正在不斷推動制造業(yè)的邊界，為設(shè)計師提供了前所未有的自由度和可能性。隨著技術(shù)的進步和成本的降低，這些特點有助于推動產(chǎn)品設(shè)計領(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)計特點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)計方法，其核心思想是通過激發(fā)和整合團隊成員的創(chuàng)意和想法，產(chǎn)生新的創(chuàng)新思路和解決方案。頭腦風(fēng)暴法的原則是在會議中，團隊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。在這個過程中，不允許對其他人的觀點進行批評或評價，以確保創(chuàng)造一個自由、寬松的氛圍，讓每個成員都能夠充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。頭腦風(fēng)暴法的優(yōu)點是可以激發(fā)團隊的創(chuàng)造力，產(chǎn)生大量的創(chuàng)意和想法；缺點是會議時間較長，需要充分準(zhǔn)備和組織。6.2.1創(chuàng)新設(shè)計方法頭腦風(fēng)暴聚焦時，可以通過單點探索流找到客戶和用戶潛在的設(shè)計需求和最大價值點。2、屬性列舉法：屬性列舉法是一種創(chuàng)新的設(shè)計方法，特別適用于對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改進或開發(fā)新產(chǎn)品。這種方法的特點是將產(chǎn)品的屬性一一列出，然后針對每個屬性提出改進或改變的構(gòu)想，以達(dá)到創(chuàng)新的目的。優(yōu)點是可以對產(chǎn)品的屬性和性能進行全面深入的分析和研究，從而發(fā)現(xiàn)潛在的改進空間和機會；缺點是需要花費較多的時間和精力進行屬性和方案的分析和整理。實施步驟如下：（1）確定對象。（2）列舉屬性。（3）屬性分類。（4）屬性分析。（5）提出改進方案。（6）方案評估與選擇。3、聯(lián)想法：這種方法通過觀察和思考不同事物的共同點或相似點，激發(fā)靈感，產(chǎn)生新的設(shè)計思路。例如，在工業(yè)設(shè)計中，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)計中，可以創(chuàng)造出更加自然、生動的設(shè)計。聯(lián)想法是一種常用的創(chuàng)新設(shè)計方法，它通過將不同領(lǐng)域的知識、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)計理念和方案。聯(lián)想法可以通過以下步驟進行：（1）確定設(shè)計主題和目標(biāo)。（2）收集信息與知識。（3）頭腦風(fēng)暴與聯(lián)想。（4）篩選與整合。（5）實現(xiàn)與優(yōu)化。聯(lián)想法創(chuàng)新設(shè)計方法的應(yīng)用范圍廣泛，適用于各個領(lǐng)域的設(shè)計工作。通過聯(lián)想法，可以將不同領(lǐng)域的知識和技術(shù)相互融合，創(chuàng)造出具有獨特性和新穎性的設(shè)計方案，滿足市場需求和推動創(chuàng)新發(fā)展。4、仿生設(shè)計仿生設(shè)計是一種以自然界生物為靈感來源的創(chuàng)新設(shè)計方法，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)計中，提高設(shè)計的可行性和可靠性，從而創(chuàng)造出更加符合人體工學(xué)、美觀和實用的產(chǎn)品，滿足市場需求和推動創(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)計創(chuàng)新可以通過以下步驟進行：（1）確定設(shè)計目標(biāo)。（2）研究生物原型。（3）分析生物原型特征。（4）創(chuàng)新設(shè)計。（5）實現(xiàn)與優(yōu)化。以建筑設(shè)計為例，形態(tài)仿生設(shè)計可以通過模仿生物的形態(tài)來創(chuàng)造出具有獨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特的美感，而且具有很高的穩(wěn)定性。除了建筑設(shè)計，形態(tài)仿生設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計、包裝設(shè)計等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，在產(chǎn)品設(shè)計方面，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。在機械設(shè)計中，可以利用仿生設(shè)計創(chuàng)新方法，模仿生物的運動方式和動力系統(tǒng)，設(shè)計出高效、節(jié)能、環(huán)保的機械設(shè)備。在包裝設(shè)計方面，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、模仿動物形狀的巧克力包裝等?？偟膩碚f，形態(tài)仿生設(shè)計通過模仿自然生物的形態(tài)來創(chuàng)造出新的設(shè)計，不僅提高了設(shè)計的可行性和可靠性，而且滿足了人們對于美感和功能的需求，推動了創(chuàng)新發(fā)展。5、用戶參與設(shè)計（用戶角色模型）用戶角色模型（Persona），是以用戶為中心設(shè)計的一種常見設(shè)計方法與工具。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)計師了解用戶的需求、通過分析事件動機，了解產(chǎn)品與用戶的行為，發(fā)現(xiàn)用戶痛點，最終明確設(shè)計目標(biāo)。在使用Persona這個設(shè)計工具時，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，以幫助設(shè)計團隊更好地理解用戶。（4）設(shè)計場景：將Persona應(yīng)用到具體的設(shè)計場景中，思考他們在使用產(chǎn)品或服務(wù)時的需求和期望。（5）評估設(shè)計：根據(jù)Persona來評估設(shè)計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：種方法是將產(chǎn)品分解為多個模塊或組件，每個模塊或組件都具有獨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)計就是采用了模塊化設(shè)計方法，用戶可以通過自由組合不同形狀和顏色的模塊來創(chuàng)造出個性化的玩具。如圖所示模塊化創(chuàng)新書架設(shè)計，模塊化創(chuàng)新書架設(shè)計是一種靈活運用增材制造技術(shù)進行創(chuàng)新設(shè)計的體現(xiàn)，對人偶模型拆分進行模塊化組件設(shè)計，模塊化設(shè)計允許用戶根據(jù)個人愛好替換喜歡的人偶模型，增加其實用性和美觀性。模塊化設(shè)計創(chuàng)新是一種將產(chǎn)品或系統(tǒng)分解為獨立模塊的設(shè)計方法。每個模塊具有獨立的功能和接口，可以單獨進行設(shè)計、生產(chǎn)和替換，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)和迭代。模塊化設(shè)計創(chuàng)新具有以下優(yōu)點：（1）靈活性：模塊化設(shè)計允許根據(jù)需要進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)計可以降低生產(chǎn)成本和維修成本，因為每個模塊可以獨立制造和測試，減少了整體的生產(chǎn)難度和成本。（3）提高設(shè)計效率：模塊化設(shè)計可以加快設(shè)計速度，因為設(shè)計師可以同時設(shè)計多個模塊，并行進行開發(fā)和測試，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。（4）促進創(chuàng)新：模塊化設(shè)計鼓勵創(chuàng)新，因為每個模塊都可以獨立進行改進和優(yōu)化，從而不斷推動產(chǎn)品整體的創(chuàng)新和發(fā)展。（5）模塊化設(shè)計創(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)計可以將軟件系統(tǒng)劃分為獨立的模塊，便于代碼的維護和擴展；在硬件設(shè)計中，模塊化設(shè)計可以將設(shè)備劃分為不同的模塊，便于生產(chǎn)和維修；在產(chǎn)品設(shè)計中，模塊化設(shè)計可以將產(chǎn)品劃分為不同的組件，便于生產(chǎn)和組裝。7、交互設(shè)計：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)計創(chuàng)新是指在設(shè)計交互產(chǎn)品或服務(wù)時，通過創(chuàng)新的方式滿足用戶需求，提高用戶體驗的過程。交互設(shè)計創(chuàng)新可以通過以下幾個方面實現(xiàn)：（1）理解用戶需求。（2）打破常規(guī)。（3）引入情感化設(shè)計。（4）跨領(lǐng)域合作。（5）持續(xù)迭代優(yōu)化。交互設(shè)計創(chuàng)新在各個領(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；在移動應(yīng)用領(lǐng)域，通過優(yōu)化操作流程、引入個性化推薦等功能，提高應(yīng)用的易用性和用戶體驗?？偟膩碚f，交互設(shè)計創(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、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)計方法(AI探索流）如圖所示AI探索流海星椅設(shè)計方法，基于大模型的智能設(shè)計方法是一種結(jié)合了機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的設(shè)計方法。它利用大規(guī)模數(shù)據(jù)和強大的計算能力，通過訓(xùn)練和優(yōu)化模型，實現(xiàn)自動化和智能化的設(shè)計，更多海星椅智能設(shè)計案例可掃碼獲取?；诖竽Ｐ偷闹悄茉O(shè)計方法可以幫助設(shè)計師提高設(shè)計效率、優(yōu)化設(shè)計方案、降低設(shè)計成本，并推動創(chuàng)新?；诖竽Ｐ偷闹悄茉O(shè)計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）模型評估和優(yōu)化。（4）設(shè)計應(yīng)用。（5）反饋和迭代?；诖竽Ｐ偷闹悄茉O(shè)計方法的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于建筑、機械、電子、服裝、家居等領(lǐng)域。它可以幫助設(shè)計師快速生成多種設(shè)計方案，提高設(shè)計的可行性和可靠性，降低設(shè)計成本和風(fēng)險。同時，基于大模型的智能設(shè)計方法還可以幫助企業(yè)實現(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)計方法適用于不同的設(shè)計領(lǐng)域和需求。對于3D打印技術(shù)而言，仿生設(shè)計方法和智能設(shè)計方法更具性價比。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)模仿自然界生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能來進行設(shè)計與制造。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，降低制造成本。以大模型為代表的智能設(shè)計，通過數(shù)據(jù)分析和機器學(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，實現(xiàn)個性化定制和自動化生產(chǎn)，滿足市場的多樣化需求。

運用3D打印技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；在智能設(shè)計時代非常重要，因為3D打印技術(shù)使得設(shè)計更加靈活和自由。以下是幾種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：1、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計：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，減少材料的使用量。這種方法可以在設(shè)計階段就考慮制造過程，從而實現(xiàn)輕量化和高效制造。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計是一種結(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)計可以用于減少材料的使用量、減輕重量、提高結(jié)構(gòu)的強度和剛度等。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、泵和傳動機構(gòu)內(nèi)的液體流動。它使得設(shè)計工程師可以將對液壓回路的控制集成在一個緊湊的單元內(nèi)。原始液壓歧管。對流動通道進行交叉鉆孔并插入堵塞頭，以引導(dǎo)液體的流動路線。原始液壓歧管，對流動通道進行交叉鉆孔并插入堵塞頭，以引導(dǎo)液體的流動路線，提取的流動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)計內(nèi)部的流動性提升了60%，采用了更強的材料（316L）模塊化設(shè)計，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：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)加工方法難以實現(xiàn)的復(fù)雜形狀。這種設(shè)計可以大大提高物體的獨特性、美觀性及實用性，布加迪凱龍鈦合金3D打印新型八活塞整體式制動卡鉗，每個前卡鉗上有8個鈦制活塞，每個后部裝置上有6個鈦活塞，制動鉗的設(shè)計采用仿生力學(xué)原理。布加迪新型八活塞整體式制動鉗是通過粉末融化技術(shù)3D打印鈦合金制成，確保更高的強度，并且使制動卡鉗的重量減輕約40％。由于仿生設(shè)計存在中空、復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，而且鈦合金材料的強度非常高，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：通過參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)設(shè)計和個性化定制。這種方法可以幫助設(shè)計師更好地理解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，提高設(shè)計的靈活性和可定制性。鑒于目前的3D打印外固定支具設(shè)計方法，如圖為3D打印外固定支具參數(shù)化設(shè)計。4、材料—結(jié)構(gòu)—功能一體化設(shè)計：其設(shè)計概念性創(chuàng)新在于：在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實現(xiàn)多材料設(shè)計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動實現(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)顧冬冬教授團隊提出，該設(shè)計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個復(fù)雜度層級，揭示了多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵、成形機制與實現(xiàn)途徑；其二是“獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能”，揭示了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點陣結(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)計及增材制造實現(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)及對策。5、智能結(jié)構(gòu)設(shè)計：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)計可以實現(xiàn)高度的自動化和智能化，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，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化和自主化。這種設(shè)計方法可以提高產(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；（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)計流程創(chuàng)新方案設(shè)計流程有以下7點：1、設(shè)計前期分析：發(fā)現(xiàn)真問題，尋找痛點，找到價值點。在開始設(shè)計之前，需要對產(chǎn)品需求、功能、目標(biāo)市場和用戶群體進行深入剖析。確定產(chǎn)品的核心功能和設(shè)計特點，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：基于前期分析的結(jié)果，進行瘋狂概念設(shè)計。這一階段主要是盡可能多的提出設(shè)計方案和有創(chuàng)意的點子，并評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)計軟件來探索不同的設(shè)計方案。3、快速原型：在確定了概念設(shè)計后，進行低保真模型設(shè)計。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，涉及對產(chǎn)品的具體細(xì)節(jié)進行設(shè)計，如尺寸、比例、形狀等。同時，需要考慮產(chǎn)品的可制造性、可維護性、可重復(fù)使用性等因素。使用3D設(shè)計軟件創(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。對模型進行優(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，進行打印設(shè)置和加工。打印出產(chǎn)品模型后，進行測試和驗證，以確保其性能滿足設(shè)計要求。根據(jù)測試結(jié)果對設(shè)計進行調(diào)整和改進。6、后期處理與組裝：根據(jù)產(chǎn)品的需要，進行必要的后期處理，如表面處理、涂裝、組裝等。確保產(chǎn)品符合生產(chǎn)要求，并進行質(zhì)量控制和驗收。7、評估與優(yōu)化：在整個設(shè)計過程中，不斷收集用戶反饋和市場信息，對產(chǎn)品進行持續(xù)優(yōu)化和改進。保持與利益相關(guān)方的溝通，以確保產(chǎn)品設(shè)計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)計產(chǎn)品1、智能變體飛機：美國國家航空航天局提出一種未來的智能變體飛機的設(shè)計構(gòu)想。該智能變形飛機的外形可隨外界環(huán)境而產(chǎn)生自適應(yīng)變化，能保持整個過程中性能最優(yōu)，舒適性高同時成本降低。飛機在巡航、起飛、降落和盤旋的時候，可以自動響應(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；改變弦長可以優(yōu)化升阻比，提高飛行速度和機動性；改變機翼的彎度可以增強飛機的機動性。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的氣動力狀態(tài)與飛行機理，布朗大學(xué)的研究人員以小狗臉果蝠（Cynopterus）做為仿生對象于2012年建立了一款翅膀具有7關(guān)節(jié)并由3個電機利用繩驅(qū)動的方式進行翅膀形態(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個驅(qū)動電機和7個關(guān)節(jié)，由電機牽引固定于各關(guān)節(jié)的繩子實現(xiàn)對翅膀形態(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%。屬于小型機構(gòu)，制作該仿生蝙蝠主要為了研究其空氣動力學(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，可以實現(xiàn)伸展與折疊，在機構(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，它由兩個氣密薄膜和一個編織的彈性織物組成，并通過大約45000點處焊接在一起。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：經(jīng)過數(shù)百萬年的自然進化，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，其實這些功能材料可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和多材料打印實現(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)計原則、材料的物理和化學(xué)機制及其與性能/功能的關(guān)系；（3）結(jié)構(gòu)建?；虿牧显O(shè)計，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現(xiàn)不同硬度和強度需求，像甲殼蟲的外殼，動物的牙齒，牙冠表面為強化層，牙髓和牙根為強韌層，這樣“外硬里韌”的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)材料功能一體化打印。新結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計和激光增材制造技術(shù)的使用促進了高性能金屬部件的制造。在仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“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”包括生物功能或機械性能。最佳的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計將復(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較小，主要是因為激光技術(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。功能實現(xiàn)類似干性能表征，主要包括形狀變化、保護和熱控制。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。設(shè)計思維（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)化為客戶價值和市場機會。增材制造創(chuàng)新思維實際是面對復(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。這種思維模式強調(diào)設(shè)計自由度的提升、個性化定制、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，對人類的多維度和復(fù)雜工程提出有效的解決方案。面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計是指利用3D打印技術(shù)，通過創(chuàng)新的設(shè)計方法和理念，實現(xiàn)產(chǎn)品的高效、快速、個性化制造。本章小結(jié)面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計具有設(shè)計靈活性、制造復(fù)雜形狀的能力、優(yōu)化材料利用、個性化生產(chǎn)、創(chuàng)新性設(shè)計、跨學(xué)科合作和快速原型制造等特點。這些特點有助于推動產(chǎn)品設(shè)計領(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。更好的創(chuàng)新設(shè)計思路是結(jié)合問題范圍與層次，引入心理學(xué)和人類學(xué)視角，將意義需求與具體需求、癢點與痛點等區(qū)分剖析，進而創(chuàng)新地解決問題。本章小結(jié)思考與練習(xí)1.請簡述面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的主要區(qū)別是什么？2.面向3D打印的創(chuàng)新設(shè)計有哪些顯著特點？請舉例說明這些特點在實際設(shè)計中的應(yīng)用。3.如何理解增材思維，設(shè)計思維以及增材制造創(chuàng)新思維之間的邏輯關(guān)系，增材制造創(chuàng)新思維核心要點是什么，如何應(yīng)用？。4.列舉幾種常用的創(chuàng)新方法，并說明它們?nèi)绾螒?yīng)用于3D打印產(chǎn)品設(shè)計過程中。5.描述一個完整的3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計流程，包括從概念產(chǎn)生到最終產(chǎn)品實現(xiàn)的各個階段，哪些環(huán)節(jié)對最終產(chǎn)品的創(chuàng)新性和實用性影響最大？請說明理由。6.3D打印技術(shù)如何幫助設(shè)計師實現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計？請舉例說明。7.3D打印技術(shù)如何促進輕量化設(shè)計？請說明其原理和應(yīng)用實例。思考與練習(xí)8.分析一款基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品，指出其設(shè)計上的創(chuàng)新點以及3D打印技術(shù)在該產(chǎn)品實現(xiàn)過程中的作用。9.思考未來3D打印技術(shù)可能帶來的設(shè)計創(chuàng)新趨勢，預(yù)測這些趨勢對產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的影響。拓展閱讀一、書籍拓展閱讀：1.書名：《設(shè)計思維：創(chuàng)新之道》作者：蒂姆·布朗（TimBrown）簡介：本書詳細(xì)闡述了設(shè)計思維的理念、方法和實踐案例，強調(diào)了設(shè)計思維在創(chuàng)新過程中的核心作用。對于將設(shè)計思維應(yīng)用于3D打印產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。2.書名：《3D打?。簞?chuàng)新、設(shè)計與制造的革命》作者：喬爾·利維（JoelLevie）簡介：本書從多個角度探討了3D打印技術(shù)如何改變設(shè)計、制造和創(chuàng)新的過程，包括其在產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用和實踐。二、3D打印康復(fù)輔具產(chǎn)品制造企業(yè)及工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計企業(yè)知識拓展：拓展閱讀課程結(jié)束，細(xì)心體會，終有收獲第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)會提出改進措施。

培養(yǎng)創(chuàng)新思維與設(shè)計意識和增強跨學(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，在進行炸裂，使所有相連的面進行分離。）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，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、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機對志愿者足踝部進行掃描，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行修改設(shè)計，還需使用GeomagicStudio軟件經(jīng)過逆向建模流程進一步優(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，會降低矯形器的機械強度與力學(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)濟性要求，故本設(shè)計使用泰森多邊形對其進行優(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軟件對其進行打孔，根據(jù)市面上的各類矯形器鉚釘直徑進行設(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)合作用進行微調(diào)，提高患者的舒適度，方便鉚釘插入矯形器進行固定。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行3D打印，本文采用實驗室自研的FDM3D打印機進行打印。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)計一個透明的保護蓋保護屏幕。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屏和上殼連接作為例子。顯示保護屏為透明的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