基于3D艺术打印技术的播种机零部件设计与研究

王晓高

(四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611800)

0 引言

近年来,随着大规模农业作业的兴起,农业机械自动化技术得到了飞速发展,加上国家扩大内需和西部大开发等一系列战略,具有自动化作业能力的农机市场需求逐渐扩大。播种机是农业作业过程中最常使用的机械之一,从大型播种机到自动化无人作业播种机的一系列升级换代过程中,其外形的艺术设计一直没有受到重视，在恶劣的操作环境下驾驶员容易产生疲劳感和紧张感,而播种机外形设计的美观性可以在一定程度上减轻播种机驾驶员的操作精神负担。本研究拟从播种机的艺术外形设计入手,将3D艺术打印技术引入到播种机的外形初步设计中,可以拓展播种机外形的设计思路,是播种机外形设计的一次跨界性设计的尝试。

1 3D打印技术在艺术外形设计中的应用

近年来，随着3D打印技术的快速发展,艺术设计领域也开始在3D打印方面进行了很多尝试性的探索,在时装展上出现了不少3D打印的服装和鞋子,如荷兰设计师设计的长满“獠牙”的3D打印服装风靡一时。2011年，Materialise公司使用金银等材料打造了一款服饰,如图1所示。

图1 3D打印艺术设计

采用3D艺术打印可以使服装展示出三维效果,使服装显得更加具有艺术色彩。3D打印技术可以使产品展示出完美的外形,又节省了设计开发的成本,可以独立完成设计和生产等环境。如果将其使用在播种机的外形设计上,可以有效地提高播种机外形设计的创意性,据此设计了基于3D打印技术的农机零部件外形艺术设计平台,其原理流程如图2所示。

本次采用艺术外形试制的方式对播种机设计模型进行评价,然后通过修改达到客户的需求。采用3D打印艺术设计可以使设计师不再局限生产方式,可以大胆创意,思维更加自由,可以实现不同领域的跨界合作,使播种机的外形设计更加丰富和多元化。

图2 播种机外形3D打印艺术设计流程

2 播种机零部件艺术外形及其3D打印过程设计

与其他产品一样,播种机的外形布局和结构设计包含了较多的心理感知意义,是审美价值创造的体现。播种机属于三维实体模型,其外形设计需要考虑点线面加工工艺需求,通过添加艺术色彩,达到均衡对称、稳定轻巧、节奏韵律统一的实用性和审美效果。播种机属于重型机械,利用刚性平面或者斜面的过渡可以突出其坚实挺拔的外形,还要利用曲线的流线型构造突出其速度感和现代美,给人浑厚圆润的运动气息。

在以往的产品外形设计过程中,可以将样品试制出来,这种方式还要考虑加工工艺,费时费力,大大增加了设计周期和费用。后来，人们发现借助于计算机辅助设计可以大大地提高设计效率,但没有实体模型,只靠计算机设计效果无法凸显个性化设计需求。而利用3D打印技术,可以以较小的成本将计算机辅助设计的三维模型打印实体模型来,并且可以考虑色彩等因素,完全可以满足播种机外形设计的个性化服务需求。

下面以播种机轴承座的3D打印设计为例,详细说明一下3D打印的模型设计过程和打印过程。首先可以利用CATIA软件对轴承座模型进行设计,根据具体零件的大小和位置,设计三维实体模型,如图3所示。

图3 轴承座三维模型

模型建立好后，需要考虑3D打印的实现过程,需要对模型进行分层处理,即在打印时一层层打印出来,分层处理如图4所示。

图4 3D打印分层处理

将模型进行分层处理后可以设置打印精度,一般可以取打印步长为不大于5mm,然后将文件转换为.stl格式的文件,这种格式的文件可以被打印机直接识别,其流程如图5所示。

图5 文件格式转换

将文件格式转换后,把切层保存的stl文件输入到3D打印机里,便可以开始打印。根据3D打印的基本流程,设计了基于3D艺术打印的播种机外形设计的基本流程框架,如图6所示。

图6 基于3D艺术打印的播种机外形设计流程

为了满足播种机外形设计的个性化需求,可以将使用软件设计的播种机外形以小型样机的形式打印出来,给播种机需求客户带来更加形象的外形展示体验。在进行3D打印前首先需要将模型进行软件设计,设计合格后将待3D打印的模型进行分层处理,然后进行文件格式转换,利用3D打印机进行模型打印,打印过程中还可以根据设计的颜色调整模型的色彩。最后，将制成的3D打印模型展示给客户,待客户提出修改意见后,对外形进行重新设计,直到最后达到客户的个性化需求。

3 基于CATIA和3D打印的播种机前盖板艺术造型设计

根据前述的播种机外形设计的3D艺术打印方法和流程,拟采用CATIA软件对播种机前盖板进行艺术设计后,采用3D打印机进行打印。CATIA软件最基本的功能就是零件设计功能,利用其创建实体功能,可以完成零件的拉伸、旋转、扫掠和钻孔等,使用的工具条为Sketch-Based Features工具条。

曲面造型设计是播种机外形设计中最常用的功能之一,在CATIA软件中有创成式外形设计和自由风格曲面两种功能模块实现曲面的设计,使用这两种模块可以实现常规的圆角、倒角和切线等常用曲线和曲面设计,还可以具有多截面曲面、填充曲面、桥接曲面等功能,帮助完成更加复杂的播种机外形结构,从而实现播种机前盖板的艺术设计。

图7表示一款新型的播种机。本次将对该款播种机的前盖板进行修改设计,最主要的是曲面的设计,曲面造型设计作为一种三维造型中的高级进阶技术,而利用CATIA软件可以方便的实现各种曲线和曲面的构型,如图8所示。

图7 播种机原型

图8 播种机前盖板软件设计过程

利用CATIA软件可以成功地实现前盖板的各种曲线和曲面的创建,还可以对曲面外形进行修复和填充等,实现前盖板的艺术设计；最后，利用3D打印机打印出了前盖板的外形,如图9所示。

图9表示采用3D艺术打印设计出来的播种机前盖板的整体效果,在打印时考虑了颜色因素,直接将播种机前盖板的色彩打印出来,得到了较为满意的设计效果。

图9 播种机前盖板3D打印艺术设计效果

4 结论

为了丰富播种机外形设计的方法,提高外形设计的艺术性,将3D艺术打印技术引入到了播种机的零部件外形设计中,并采用CATIA软件设计了前盖板的三维模型,最后利用3D打印技术对前盖板的模型进行了打印。由设计效果可以看出：采用3D艺术打印技术不仅可以完成前盖板曲面曲线等一系列设计,还可以根据设计师设计的色彩直接调制出模型的颜色,在打印过程中生产颜色效果,使设计过程更加生动和接近实际。由于3D打印技术还并未成熟,也没有得到大规模的应用,因此对3D艺术打印技术在农机外形设计中推广还有较长的路要走,相信在未来的设计中,跨界设计思想将在更多领域得到应用。