描述

總體概述

衛(wèi)生 ！如今，這個詞已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑绕涫亲罱挠绊懀M管所有建議都不足以減少與經(jīng)常觸摸的物體的接觸。COVID-19 是一種容易傳播的疾病的例子，它通常會在物體（污染物）上徘徊。經(jīng)常接觸的物體可能會帶來健康風(fēng)險并增加傳播。常見交互對象的一個??示例是門把手，用戶通常直接接觸即可打開。對于許多人來說，這是一個挑戰(zhàn)，從使用肘部到腿部，COVID-19 改變了我們與日常物品的互動。市場上有一些聲稱可以打開門并按下按鈕的解決方案。但是，沒有具有所有必要功能的解決方案，迫使許多人隨身攜帶多個設(shè)備，這至少會很麻煩。該解決方案的預(yù)期目標(biāo)市場包括兒童直到老年人，他們需要一個有效的解決方案來與常用交互對象進(jìn)行交互，包括但不限于：手柄、旋鈕、觸摸屏、按鈕。他們需要一款價格實惠、實用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨特的設(shè)計，外形時尚，能夠打開許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)備的觸控筆，可用于按下任何按鈕。觸摸屏，按鈕。他們需要一款價格實惠、實用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨特的設(shè)計，外形時尚，能夠打開許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)備的觸控筆，可用于按下任何按鈕。觸摸屏，按鈕。他們需要一款價格實惠、實用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨特的設(shè)計，外形時尚，能夠打開許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)備的觸控筆，可用于按下任何按鈕。

通過多次迭代、FEA 分析（靜態(tài)應(yīng)力和減重），我的最終設(shè)計是一個功能性解決方案，可滿足消費者的需求，提供具有競爭力的解決方案。該設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，可通過 FDM 技術(shù)進(jìn)行 3D 打印，并可作為單個零件以減少公差不確定性。有關(guān)完整詳細(xì)信息，請記住訪問隨附的簡報尺寸：119.431 毫米 x 66 毫米 x 18 毫米燈絲：PLA 40.26g（適用于雜貨店的觸摸屏）如果與手機的觸摸屏一起使用，則應(yīng)使用導(dǎo)電 PLA。要獲得更可靠的版本，請考慮使用 PET-G，它更靈活、更強大！

本教程分為五個部分，第一個是我的設(shè)計過程（1-11），第二個是我是如何設(shè)計和創(chuàng)建模型的（12-13），第三個是生命周期分析（14-16），第四是有限元分析（17-19）第五是3D打印（20-結(jié)束）

第 1 部分：設(shè)計過程

第 1 步：設(shè)計過程介紹

對于每個項目，您很有可能會面臨創(chuàng)建特定流程和工作流的問題。在工程中，這被稱為“設(shè)計過程”。對于這個項目，我的設(shè)計過程涉及以下步驟：

• 概念創(chuàng)作
• 概念評估
• 最終概念
• 測試
• 迭代
• 最終設(shè)計

這是一個基本的設(shè)計過程，遵循該過程可以輸出經(jīng)過嚴(yán)格評估的選定設(shè)計。然而，并非設(shè)計過程中產(chǎn)生的每一個設(shè)計都是正確的解決方案。公正地評估最終結(jié)果總是很重要的。對于這個項目，我做了一些關(guān)鍵的考慮，稍后將進(jìn)一步詳細(xì)解釋：

• 價值工程
• 以人為本的設(shè)計方法
• 精益設(shè)計
• 設(shè)計思維

第 2 步：價值工程簡介

價值工程是一種降低產(chǎn)品成本，同時不損害產(chǎn)品功能的方法。這通常適用于需要大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，因為每一項削減成本的措施都可以顯著降低生產(chǎn)成本。在考慮價值工程時，重要的是應(yīng)該減少或改變產(chǎn)品的功能。對于此設(shè)計，將使用以下價值工程技術(shù)：

• 質(zhì)量減少：使用 FEA 分析，我們可以針對需要更多功能材料的區(qū)域，同時減少不需要的區(qū)域。
• 設(shè)計規(guī)范：通過確保預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)到位，我們可以降低設(shè)計的成本和質(zhì)量，同時確保滿足我們所有必要的規(guī)范點

作為價值工程的一部分，我們還可以實施旨在減少材料的精益制造和設(shè)計技術(shù)。

第 3 步：以人為本的設(shè)計簡介

以人為本的設(shè)計一直是可持續(xù)性設(shè)計的主要內(nèi)容。然而，最近，該框架在主流工程中的采用有所增加。該過程需要一個產(chǎn)品被采用，它必須是三個方面的組合（改編自 E4C）：

• 用戶意愿
• 技術(shù)可行性
• 商業(yè)可行性

通過將這些方面應(yīng)用于產(chǎn)品，客戶采用率更高。設(shè)計框架還結(jié)合了人體工程學(xué)和人體測量學(xué)。當(dāng)設(shè)計師需要以人為本的設(shè)計方法時，會收集以下類型的數(shù)據(jù)：

主要：問卷調(diào)查、焦點小組等。

次要：人體工程學(xué)和人體測量學(xué)

第 4 步：了解以人為本設(shè)計的重要性

在這個項目中，以人為本的設(shè)計方法一直是我在這個項目中必須考慮的最重要的考慮因素之一。在生產(chǎn)解決發(fā)展中國家目標(biāo)問題的產(chǎn)品時，以人為中心的設(shè)計方法可確保提供經(jīng)過深思熟慮和現(xiàn)實的設(shè)計，可廣泛采用。

第 5 步：設(shè)計思維導(dǎo)論

設(shè)計思維是設(shè)計過程中非常重要的一部分，它允許用戶理解并幫助創(chuàng)新。步驟是：

• 移情：情境研究和理解用戶需求
• 定義：項目約束和問題發(fā)展
• Ideate : 解決方案集思廣益和開發(fā)
• 原型：CAD或建模
• 測試：模擬

第 6 步：情境研究

在研究您選擇的問題和問題時，重要的是要考慮您的目標(biāo)市場。在許多不同的國家，這個問題可能對人們產(chǎn)生不同的影響。考慮一系列因素很重要。對于這個設(shè)計，我的目標(biāo)市場是：“兒童直到老年人，他們需要一個有效的解決方案來與常見的交互對象進(jìn)行交互，包括但不限于：手柄、旋鈕、觸摸屏、按鈕。它們需要價格實惠、實用且美觀的產(chǎn)品，且外形小巧，便于攜帶。”

現(xiàn)在考慮目標(biāo)市場，為了最大化產(chǎn)品交互，必須考慮以下因素：

• 人體測量學(xué)：人類數(shù)據(jù)的測量，在這種情況下，手測量是最合適的
• 人體工程學(xué)：產(chǎn)品的人類使用優(yōu)化
• 刺激方式：使用產(chǎn)品時增強的感官，在這種情況下，機械感受是最重要的。研究表明，多感官設(shè)計（當(dāng)多感官交互時）可以提供更好的可用性和滿意度。

第 7 步：數(shù)據(jù)收集

對于這個項目，我收集了一些數(shù)據(jù)以更好地了解我的用戶。在這種情況下，我使用了問卷并發(fā)布到論壇上。數(shù)據(jù)收集是通知您的設(shè)計的重要過程，應(yīng)始終公正地進(jìn)行。分層抽樣是確定多組需求的一種方法，同時提供比隨機抽樣更高的精度，并且需要更少的參與者。

第 8 步：制定設(shè)計規(guī)范

設(shè)計規(guī)范允許簡單的約束，為產(chǎn)品提供指導(dǎo)。一個好的規(guī)范將有 5 個必須點、4 個應(yīng)該點和 3 個可以點。以下是設(shè)計規(guī)范的指南列表：

• 規(guī)范點是可行的
• 規(guī)格點是可測量的
• 規(guī)格點非常具體
• 規(guī)格點基于研究和數(shù)據(jù)

第 9 步：設(shè)計簡介

簡要概述了您將解決的問題，并且應(yīng)該/包含：

• 預(yù)定義的問題
• 目標(biāo)市場
• 產(chǎn)品環(huán)境/使用地點

重要的是，在考慮生產(chǎn)產(chǎn)品之前完成此設(shè)計簡介，否則稍后會出現(xiàn)設(shè)計固定和設(shè)計不佳等問題。同樣重要的是，您的設(shè)計簡介不要過于雄心勃勃。

第 10 步：產(chǎn)品概念

完成所有設(shè)計約束和整體數(shù)據(jù)后，下一階段是設(shè)計概念。藍(lán)天思維是在根據(jù)預(yù)定因素將想法提煉成概念之前進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的有效方式。我創(chuàng)建并勾勒出 3 個概念，每個概念都有一個小概述。

第 11 步：評估概念

概念設(shè)計的評估過程是您項目的重要組成部分，最好的分析方法之一是基于設(shè)計規(guī)范，使用決策矩陣。決策矩陣以數(shù)字方式比較每個想法的規(guī)范點（通常為 5 個），并且通常根據(jù)相關(guān)重要性進(jìn)行加權(quán)。然后對分?jǐn)?shù)進(jìn)行總計，應(yīng)選擇得分最高的設(shè)計。我已經(jīng)發(fā)布了一個示例（不適用于該項目），它表明了一個基本的決策矩陣。

第 2 部分：使用 CAD 軟件創(chuàng)建設(shè)計

第 12 步：在 Fusion 360 中繪制草圖

選擇我的設(shè)計后，接下來的步驟是使用 CAD 軟件創(chuàng)建我的模型。我是 Fusion 360 的新手，但由于更多人可以訪問它，我決定最好使用它。這些步驟與許多其他 CAD 軟件非常相似，并且可以與其他流行軟件一起使用。

我首先使用較大孔內(nèi)徑的旋鈕尺寸數(shù)據(jù)創(chuàng)建設(shè)計的基本輪廓。

對于握把圖案，我使用了矩形圖案。對于切口切口，我使用圓形圖案來輕松制作切口。然后我將它擠壓到 15 毫米的高度，以提供最小的舒適抓地力。在意識到設(shè)計需要稍微大一點后，我決定添加 1.2 的比例以更好地調(diào)整設(shè)計以適應(yīng)預(yù)期用途。

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第 13 步：添加手指握點

為了更符合人體工程學(xué)的抓握，我決定添加一些手指握持。這些指套的直徑為 15 毫米，我發(fā)現(xiàn)它最適合各種人群。但是，如果您喜歡不同的握把，您可以自行更改。

• 首先在作品的中間直接創(chuàng)建一條鏡像線
• 添加一個圓圈并使用智能尺寸工具相應(yīng)地調(diào)整其大小（15mm）。
• 使用矩形圖案特征將三個孔分開，從而確保最后一個不會太靠近彎曲區(qū)域。
• 將圖案鏡像到另一側(cè)并擠出切割整個身體
• 添加圓角以降低切割的銳度

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第 3 部分：生命周期分析（可選）

為確保產(chǎn)品可持續(xù)使用，使用 LCA（生命周期分析）來確定某些產(chǎn)品對市場的影響。從搖籃到大門是 LCA 的一種常用方法，它融合了各個方面

第 14 步：使用可持續(xù)思維設(shè)置 LCA

設(shè)置功能單元并添加系統(tǒng)邊界和產(chǎn)品系統(tǒng)。對于這個項目，功能單元將在一年之后創(chuàng)建一個參考概念。

第 15 步：添加 SBOM 數(shù)據(jù)

對于我的初始設(shè)計，F(xiàn)usion 360 估計將使用約 75g 的 PLA。我將制造設(shè)置為擠壓，在垃圾填埋場結(jié)束生命，從打印機到用戶有一些旅行。您可以在項目的“編碼”部分下載 tsv SBOM 文件。

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第 16 步：使用更新的設(shè)計重復(fù)這些步驟并進(jìn)行比較

我改變了設(shè)計的尺寸并減少了 Fusion 360 中的質(zhì)量部分。結(jié)果顯示，由于質(zhì)量的減少，改進(jìn)了 100%。

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第 4 節(jié)：有限元分析

在開始之前，重要的是要注意此建模存在限制。PLA 的行為（大部分）不是線性的，使用 FDM 3D 打印，材料最終會表現(xiàn)出各向異性

第 17 步：應(yīng)力分析和設(shè)計細(xì)化

在我們繼續(xù)減少質(zhì)量之前，重要的是我們移除任何結(jié)構(gòu)不良且容易斷裂的區(qū)域。最好的方法是應(yīng)力分析。對于這個項目，我們將使用靜態(tài)應(yīng)力分析。

首先將物理材料添加到您的模型中。這可以通過導(dǎo)航項目樹、右鍵單擊主體并選擇物理材料部分來實現(xiàn)。對于這個項目，我們可以使用聚苯乙烯（由于性質(zhì)相似），但建議您使用自定義數(shù)據(jù)表為您的燈絲創(chuàng)建自己的材料。

導(dǎo)航到模擬選項卡并選擇靜態(tài)應(yīng)力分析。首先將力添加為結(jié)構(gòu)載荷。記住要想象力的來源，在這種情況下，主要是用手指抓握。確保方向正確，選擇力的大小。記住力是一個向量，所以大小和方向很重要

添加約束，考慮設(shè)計的哪些部分在施加力時不應(yīng)移動。我決定對外部曲線施加約束。

解決您的整體設(shè)計，看看您設(shè)計中的弱點。在上圖中，您可以看到我設(shè)計的早期迭代，設(shè)計的兩端都有切口，這造成了麻煩，因此我刪除了該部分。

我還測試了內(nèi)部應(yīng)力，以確保在較大直徑上滑動時不會損壞設(shè)計。

第 18 步：Fusion 360 上的形狀優(yōu)化

這是質(zhì)量減少的第一部分，將與 ANSYS 軟件結(jié)合使用。

• 創(chuàng)建新的模擬選擇形狀優(yōu)化后，請注意這不能在本地完成，將使用云積分！
• 重復(fù)之前的步驟以添加所有必要的力，我建議選擇最壞的情況以確保提高優(yōu)化的可靠性。
• 求解后，使用滑塊確定所需材料并推動網(wǎng)格。然后將網(wǎng)格導(dǎo)出為 an.obj（用于 ansys）和 a.stl 用于切片
• 返回原始設(shè)計并將文件導(dǎo)出為iges或step文件（step更容易）

第 19 步：ANSYS 形狀優(yōu)化

• 導(dǎo)航到工作臺并創(chuàng)建一個新的靜態(tài)結(jié)構(gòu)研究并將模型導(dǎo)入為幾何體
• 打開模型并開始像在 Fusion 360 上一樣重新創(chuàng)建應(yīng)力模擬
• 求解模型，我建議在求解等效應(yīng)力之前查看總變形，以確保一切功能齊全且如您所愿。
• 導(dǎo)航到解決方案層次結(jié)構(gòu)并右鍵單擊應(yīng)力按鈕，然后單擊等效應(yīng)力并求解。
• 單擊未變形的版本并創(chuàng)建一個加蓋的等值面（底部）
• 拖動滑塊以確定所需的材料數(shù)量，然后將網(wǎng)格導(dǎo)出為 STL 文件

第 5 部分：制造

第 20 步：下載 3D 打印文件（如果遵循了前面的步驟，則跳過）

這是用于減少質(zhì)量的 3D 打印，為此您只需要下載第 1 部分和第 2 部分。選擇了減少質(zhì)量的 3D 打印，以減少質(zhì)量并改善大規(guī)模制造。

第 21 步：設(shè)置 PrusaSlicer

導(dǎo)航到打印設(shè)置選項卡并確保填充類型為直線和 10 % 填充密度。此打印的最強層高為 0.15mm，材料為 PLA，但為 0.2

第 22 步：導(dǎo)入第一個文件

通過拖放文件將名為“Mass Reduction Infill”的文件導(dǎo)入工作區(qū)。如果您在導(dǎo)入時沒有看到任何內(nèi)容，請確保您處于 3D 視圖而不是圖層視圖中。您可以更改左下角的視圖

第 23 步：添加第二部分作為負(fù)載修改器

確保您處于專家模式，導(dǎo)航到屏幕右側(cè)的層次結(jié)構(gòu)。在第一個文件上導(dǎo)航到編輯圖標(biāo)按鈕，該按鈕位于模型旁邊的“編輯”文本下方。單擊添加修改器，然后單擊“加載”。然后選擇名為“File.stl”的第二個文件

第 24 步：修復(fù)模型

使用 netfabb 服務(wù)，通過右鍵單擊警告三角形，您應(yīng)該能夠自動修復(fù)模型的任何問題

第 25 步：更改負(fù)載修改器上的填充

單擊負(fù)載修改器編輯部分下的設(shè)置齒輪圖標(biāo)，然后選擇填充并為獲得最佳效果選擇 100 % 填充密度作為直線類型。

第 26 步：（可選）添加圓柱鑰匙圈孔

為了更好地使用方便，您還可以添加一個鑰匙圈孔。首先將圓柱修改器添加到整個對象（層次結(jié)構(gòu)中最高）。

將尺寸修改為合適的直徑并為便于使用，將圓柱體的高度創(chuàng)建為高于對象的厚度，這應(yīng)該有助于查看孔的位置。

要創(chuàng)建孔，請單擊圓柱體的設(shè)置（屏幕右側(cè)編輯部分下方的齒輪圖標(biāo)），然后添加“圖層和周長”并將底部、周長和頂部設(shè)置設(shè)置為 0。最后，添加填充設(shè)置并將其設(shè)置為 0。

第27步：切片

一切準(zhǔn)備就緒后，點擊切片按鈕并將文件導(dǎo)出為 g 代碼。然后可以將其傳輸?shù)侥?3D 打印機！

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第 28 步：打印

非常感謝 3D 打印設(shè)計的社區(qū)成員！總的來說，打印出來的效果很好，兩張都是用 PLA 打印的。但是，建議使用 PET-G，因為它更堅固、更靈活，所以如果您能接觸到材料，請使用它！

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