广东技术师范学院机电学院冉蓓张广潮
摘要：工业设计是以产品设计为核心的，艺术与技术相统一的学科。模型制作是产品设计流程当中，“设计创意产品化”的一个非常重要的环节，也是对设计创意合理性反复试验、论证和完善的过程。工业设计发展的近百年中，产品原型机的制作工艺也随着大时代技术的发展而不断革新。当代产品原型机制作的工艺不在仅仅局限于包豪斯时期的技术方法，以CNC数控机床和3D打印机为代表的快速成型技术被广泛的应用。
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关键词 ：产品设计产品原型机快速成型技术CNC数控机床3D打印机
中图分类号：J506
文献标识码：J
文章编号：1003-0069(2015)07-0145-04
工业设计(lndustrie Design)，它是一门以产品设计为核心的，融合了科技、文化、艺术与经济等多领域的综合学科。在产品设计的过程中，模型制作是产品原型试制与实验的过程。人们在进行科学研究时，最可靠的方法是对事物进行观察和实验。在工业设计过程中也不例外，采用一种模型代替原型的方法对设计进行反复实验和论证，使最终的设计结果更加完善。
1模型制作在世界工业设计史中的发展及意义：
1.1德国包豪斯学校倡导技术与艺术的新统一
包豪斯学校对于世界现代工业设计的影响是巨大的，其教学体系成为当今世界工业设计教育的基础。包豪斯的历程其实就是现代设计方法诞生的历程，也是在艺术和机械技术这两个相去甚远的门类间搭建了桥梁的历程；包豪斯将“设计意图”融入到了手工产品当中，将产品造型语言的手工制造与实验定义到了设计过程当中，这也正是当代工业设计方法中，产品原型制作与实验的早期雏形。包豪斯倡导艺术与技术的新统一，它主张设计师不仅仅要有艺术素养，还要有对材料、结构、工艺的理解。
1.2注重设计制作实践能力的培养
包豪斯的课程设置主要分为三个阶段。第一阶段是预科阶段，由设计的基础课程，造型课和材料课组成。第二阶段进入到工作坊学习阶段，有若干不同的工作坊可供学生选择，金属工作坊，木材工作坊，玻璃工作坊等。在这个阶段，学生们在不同的工作坊里和各种基础材料近距离接触，通过设计实验，了解材料的属性，及其应用于实务设计的重要规则。在工作坊里没有所谓的“教授”，只有“形态师傅”，他们精通各种材料的手工制作，在学生的制作实践中去帮助他们提高对基础材料和造型的认识。在历时三年的学习后，经过考核合格后，学生们进入到第三阶段的学习。第三阶段的学习为更加深入的专业设计学习阶段，教师们由实践经验丰富的建筑师、设计师组成。德国包豪斯学校创立的技术与艺术统一的设计模式影响深远，包豪斯学校的教学模式一直被沿用至今，现代工业设计教育体系基本保留了包豪斯的课程设置和课程理念。”’
2快速成型技术(Rapid Prototyping，PR)在产品模型制作中的应用：
快速成型(RP)技术是20世纪80年代开始发展起来的一种高新制造技术。随着科学技术的发展，产品原型制作的工具不再局限于100年前包豪斯时代的手工工具。CNC数控机床，3D打印机等现代化模型制作设备的出现，对模型制作方法的发展带来了积极的影响，使模型的制作更加快速，更加精准。将产品设计创意，利用快速成型技术，在工业设计过程中制作产品原型进行实验和论证，是现代工业设计师必备的能力。RP技术较传统的模型制作有以下几点优势：(1)可以通过RP技术术快速地生成可以看得见，摸得着的实体模型，便于设计阶段的及时评估。(2)对于那些不能批量生产的零件，利用RP技术生产节约了材料和缩短了生产周期，降低了生产的成本。(3)模具加工，用快速成形法可以制造塑料模以取代传统木制仿形模，也可以生产精密读高的铸造用蜡模。(4)利用RP技术可实现新产品的自由制造，适用于创新创意类产品的研发阶段，为产品结构的最优化创造条件。
2.1快速成型技术制作产品模型的原理和流程
快速成型技术核心是由三维设计模型直接通过计算机软件驱动快速成型。基于离散、堆积成形原理，将计算机辅助设计的产品立体数据，经电脑分层离散处理后，把原来的三维数据变成二维平面数据，按设定的成形方法，将成形材料逐层加工，迅速、自动地物化成为具有一定结构和功能的三维实体模型或零件。
设计师在应用快速成型技术制作模型时，(1)首先要将产品设计创意在三维设计软件中进行模型搭建，例如：Rhin0 3D造型软件，设计师在三维软件中获得了比设计创意二维软件呈现更清晰的空间造型感，并且设计师可以在三维软件中对外观造型进行反复修改。设计软件的优点就是具有很强大的曲面功能，能够辅助设计师快速准确地进行设计创意表现；缺点就是由于三维设计软件不具备实体概念，因此如果将三维设计软件的数据直接导入到数控机床加工往往会出现模型质量问题。(2)设计师在完成产品设计创意三维设计软件表达后，将三维模型数据导入到工程软件中，例如Solidworks，PRO/E，UG，Mastercam等，进行产品模型结构的修正。(3)将修正过的模型计算机辅助设计(CAD)数据输入到快速成型设备中进行加工。目前，工业设计模型制作主要使用的快速成型设备是数控机床和3D打印机。
2.2 CNC数控机床制作产品原型
CNC数控机床是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称，是一种由程序控制的自动化机床。主要通过数字化信息控制刀具和毛坯的相互运动，从毛坯上切除多余材料（即余量），从而获得一定形状和精度的零件。数控机床是由普通机床的基础上发展而来的，能加工复杂异形零件具有良好的柔性、高精度和可靠的稳定性等优点。
在数控机床上加工时，首先根据图纸分析零件的结构外形，编制合理正确的程序，编程的代码和指令格式需符合相应的ISO及国家标准。然后通过DNC或者信息载体（如U盘）将所编制的程序输入到数控机床中。再由数控系统根据不同程序内容发出相应的指令，由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床工作台的运动和速度，同时还控制机床的其他辅助运动，如主轴启动、正反转、转速设定，冷却液启停等。最终根据指令，使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削毛坯多余部分，从而加工出所需的零部件。如图1：
数控机床种类很多，按工艺用途可分为：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗铣床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控液压机等各种用途的数控机床。在设备的选择上，主要根据不同零件的形状、精度，从而选择符合加工要求的设备。如数控车床的主运动为工件旋转，更适合加工轴类、盘类等回转体零件；数控铣床、加工中心可加工复杂的三维零件。
产品原型数控加工的步骤通常如下，首先运用三维设计软件对所要设计的模型及各部分零件进行建模。完成建模后，将其以IGS的格式存档，导入至可编制刀具路径的软件中，例如Mastercam、PROE、UG等。在编程软件中，对所有模型零件的IGS文件进行优化处理。然后对加工的模型零件进行技术分析，确定机床的选择、装夹的方式、毛坯的尺寸及加工工艺等。根据模型零件所选用的材料，从而确定刀具的型号、切削参数及合理的刀具路径。一般编制刀具路径时，主要分为粗加工和精加工。粗加工是以最高效率去切除毛坯余量，应设置尽量大的切削深度和进给量，以便在最少的时间内切除更多的切屑。由于粗加工的切削量较大，从而会产生较大的震动，所以必须预留足够余量。精加工是对粗加工后剩余的余量进行切削处理，主要提高主轴转速，降低进给量和吃刀量，以保证最终的尺寸和表面粗糙度。刀具路径编制完成后，通过后处理方式，将刀路转换成数控机床识别的NC程序文件，然后使用信息载体或者DNC直接传输至数控机床。最后在数控机床上对装夹好的毛坯进行工件坐标系的建立后，便可进行自动化的加工。
数控机床制作产品模型案例：自行车头盔设计（图2）
将设计创意在三维设计软件中进行建模（图3）
数控机床加工完成的模型零部件，进行后期精细打磨喷漆（图4）
将精细打磨喷漆处理后的模型零部件进行组装，模型制作完成。
2.3.3D打印机制作产品原型
2.3.1. 3D打印机运行原理
3D打印机制作产品原型，是一种累积制造技术，也是快速成型技术的一种。软件通过计算机辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用特殊可黏合材料，通过打印一层层的黏合材料来三维数据进行物化。3D打印快速成型技术是近些年发展起来的一种新的制模技术，它涉及、技术、数据处理技术、材料技术、技术、测试传感技术和计算机软件技术等，是各种高技术的综合应用。由于三维打印快速成型技术的突出优势，近年来发展迅速，已成为工业设计模型制作中的一项关键技术。
3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。
2.3.2.3D打印机应用于产品设计的优势
当今市场产品更新非常快，生产厂商都在尽量压缩新品研发周期，因此在产品的设计研发阶段应用3D打印机可以大大缩短研发周期。在一项相关调查中，170尼的被调查产品，其原型制作消耗相当长的时间，是缩短上市时间的最大障碍。原型测试阶段，设计团队利用产品原型进行性能测试和严格的工程评估，及早反馈设计缺陷，从而尽可能规避产品开发风险。采用3D打印技术可大大缩短产品原型的制作时间。
2.3.3.3D打印机应用于产品设计的流程
3D打印技术应用于产品设计领域的过程是：首先通过计算机软件对产品创意进行三维建模，从而获得目标原型的概念，并以此建立数字化描述的模型。之后经过图形修补软件对数字模型进行一定的修补，将三维虚拟实体表面转换为用一系列三角面片逼近的表面，生成面片文件如STL.文件等，然后根据不同的快速成型工艺对文件进行处理，对层片文件进行检验或修正，最后通过3D打印快速成型机控制材料有规律地、精确地叠加起来堆积而成一个三维实体制件，从而完成模型的快速成型制作。3D打印机加工完成模型所有零部件后，还要对零部件进行后期的手工精细打磨、喷漆，最后将所有零部件参照设计示意图进行装配，模型就制作完毕了。
相较于CNC数控机床加工产品模型，3D打印机加工的模型在表面精度和加工时间上都具有明显优势。3D打印机的产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越，这是传统制模方法无法比拟的。
3D打印机制作产品模型案例：海钓钓鱼称（图5）
将设计创意在三维软件中转化为模型数据。（图6）
将模型数据导入到3D打印机中，完成模型零部件的加工。（图7）
对所有零部件进行精细手工打磨，并最终按照设计意图喷漆上色。（图8）
产品原型机制作是工业设计流程中不可或缺一个环节，是论证设计创意是否合理的重要环节。现代快速成型技术被应用于工业设计中，使产品原型机制作的速度和精度都大大提高了，确保了设计创意论证的准确性。随着科技的发展，将会有更多的新技术新材料被应用于工业设计领域，工业设计不仅要保持设计创意的创新性，还要保持设计方法和技术的先进性，使工业设计流程更加完善。