3D打印正向造型實例瓷鳴·手機共鳴音箱基于FDM3D打印技術(shù)的手機音響設(shè)計與性能優(yōu)化研究設(shè)計目標設(shè)計一款符合聲學(xué)原理的手機音響，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)特定頻響特性（如低頻增強或高頻清晰度）。使用FDM3D打印技術(shù)完成音響原型制作，探索材料與打印參數(shù)對音響性能的影響。通過三維掃描與數(shù)據(jù)處理驗證打印精度，分析設(shè)計與實際成品的誤差來源。提出優(yōu)化方案，提升3D打印音響的聲學(xué)性能與制造效率。案例描述1設(shè)計思路2正向造型數(shù)據(jù)建模3數(shù)據(jù)處理4目錄模型生成過程5成型后處理6案例描述案例描述瓷鳴·手機共鳴音箱（以下簡稱音箱，如圖所示）由「器道」品牌創(chuàng)始人李鋒設(shè)計，2013年獲德國紅點設(shè)計概念獎，2015年獲中國工業(yè)設(shè)計界最高獎-紅星獎。案例描述共鳴音箱的工作原理是：當(dāng)手機放入共鳴音箱的座槽內(nèi)，音樂就會通過聲孔進入共鳴腔，在這里形成共鳴，從而增大音量、加重低音，然后從左右兩個出聲口傳出，進而使單孔出聲的iPhone形成了立體聲效果（如圖所示）。工作原理案例描述本案例是一個典型的正向設(shè)計，即，根據(jù)產(chǎn)品的功能定位，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計，包括：產(chǎn)品的工作原理、設(shè)計關(guān)鍵點及外形等；然后制作產(chǎn)品的測試模型，以驗證產(chǎn)品是否達到設(shè)計目標。功能定位概念設(shè)計制作測試模型案例描述從自然擴音效果和低碳環(huán)保的角度來考慮，產(chǎn)品的測試原型應(yīng)該選擇陶瓷材料制成。因為陶瓷質(zhì)地堅實細密、表面光滑，敲擊聲清脆悅耳，具有獨特的音質(zhì)和音色，自古就是制作樂器的良好材料。但由于音箱從設(shè)計到產(chǎn)品，需要經(jīng)過對形態(tài)、尺度、重心、出音孔朝向、手機的放置位置和角度進行反復(fù)的計算和測試，而陶瓷器具制作工藝復(fù)雜、價格較高、制作時間較長，用作測試原型費時費力。材料選擇案例描述3D打印技術(shù)不僅可以精準地還原設(shè)計細節(jié)，而且制造速度快。因此，3D打印技術(shù)可幫助用戶在產(chǎn)品開發(fā)過程中快速得到產(chǎn)品的樣機，以提供設(shè)計驗證與功能驗證，檢驗產(chǎn)品可制造性和可裝配性等，能加快產(chǎn)品的實用化和商業(yè)化的進程。本例是一個共鳴音箱，結(jié)構(gòu)相對簡單，但需要較為光滑的表面，因此選擇

來進行模型制造。材料選擇如何用3D打印技術(shù)制作測試模型呢？[]首先要從模型的三維設(shè)計開始[]激光立體光固化（SLA）的快速成型方法本次實戰(zhàn)：首先正向建模FDM3D打印三維掃描逆向建模SLA3D打印設(shè)計思路設(shè)計思路本例作為手機共鳴音箱，在設(shè)計之初，首先要考慮的就是音箱和使用者之間的位置關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)實的使用情景分析，手機在使用音箱播放音樂時，一般是放置在桌面上，所以在設(shè)計音箱時要特別考慮人耳與聲源的位置關(guān)系。產(chǎn)品功能定位從圖中可以看出：聲音的傳播相對于人耳來說是要傾斜向上。手機屏幕相對于人眼來說也是傾斜向上。設(shè)計思路根據(jù)以上分析的使用環(huán)境、條件以及使用體驗，繪制出已形成的概念圖。產(chǎn)品功能定位設(shè)計思路剖析概念圖，可以明確并最終形成對手機音箱組成和結(jié)構(gòu)的設(shè)計。產(chǎn)品功能定位本次設(shè)計的手機音箱包括1、手機座槽（用于放置手機）2、聲孔（手機與音箱之間的傳聲道，處于隱藏部位，概念圖上就沒有單獨給予其介紹）3、聲道（音箱發(fā)聲的部位）4、底墊（讓音箱“站穩(wěn)”的部分）1外形設(shè)計關(guān)鍵考慮到前述的設(shè)計構(gòu)想和主題，本例中的手機音箱的外形，采用弧形外觀?；⌒斡森h(huán)形切割而來。切割的形狀，已經(jīng)決定了聲道的位置，若要滿足聲道傳聲傾斜向上的條件就要用底墊來輔助形成，所以底墊的位置是一個比較關(guān)鍵的地方。手機座槽的位置也因此需要處于與底墊對應(yīng)的地方。設(shè)計思路產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵1外形設(shè)計關(guān)鍵設(shè)計思路產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵弧形外觀2底墊和手機坐槽設(shè)計關(guān)鍵設(shè)計思路產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵用Z中心環(huán)來解析底墊和手機座槽所處的位置以及底墊的關(guān)鍵手機座槽位置和底墊的關(guān)鍵3聲道設(shè)計關(guān)鍵設(shè)計思路產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵底墊的位置巧妙的讓瓷鳴站立起來，使傳聲道可以傾斜向上聲道位置設(shè)計設(shè)計思路產(chǎn)品三視圖根據(jù)上面一系列的細節(jié)分析繪制手機音箱的三視圖。至此，設(shè)計完畢。正向造型數(shù)據(jù)建模正向造型數(shù)據(jù)建模如何用3D打印技術(shù)制作測試模型呢？首先要從模型的三維設(shè)計開始。本例所需的三維模型采用solidworks來完成。實體建模就是利用建模軟件的實體建模模塊所提供的功能，將二維輪廓圖延伸成為三維的實體模型，然后在此基礎(chǔ)上添加所需的特征，如抽殼、鉆孔、倒圓角等。除此之外，solidworks實體模塊還提供了將自由曲面轉(zhuǎn)換成實體的功能，如將一個曲面增厚成為一個實體，將若干個圍成封閉空間的曲面縫合為一個實體等。正向造型數(shù)據(jù)建模應(yīng)用實體建模和草圖等命令，完成如圖所示零件“瓷鳴”的實體造型設(shè)計。總體分析瓷鳴2D圖正向造型數(shù)據(jù)建模建模實際上是一個仿真零件加工的過程，如圖所示，圖中表達了零件加工與特征建模的一一對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計分析建模一般流程正向造型數(shù)據(jù)建模本例是一個藝術(shù)造型的手機共鳴音箱。它的外形結(jié)構(gòu)簡潔，主要由音箱主體及中間手機座槽組成，整體是一個空心的殼體，屬于特殊類型的實體造型。對于手機音箱的設(shè)計除了要用到實體建模操作命令外，還要運用草圖、曲線造型命令才能完成。此外，在細節(jié)設(shè)計中，會遇到一些特殊的操作技巧，如基準平面創(chuàng)建、倒圓角、抽殼等方法。設(shè)計分析正向造型數(shù)據(jù)建模依據(jù)產(chǎn)品2D圖，手機音箱的的建模思路如圖所示，由圖可知其三維模型設(shè)計過程可按以下步驟進行：（1）創(chuàng)建手機音箱主體，其形狀是一段弧形圓環(huán)。（2）創(chuàng)建手機座槽及音箱放置平面。（3）細節(jié)設(shè)計，主要包括抽殼、音響孔及圓角設(shè)計。設(shè)計分析瓷鳴設(shè)計拆分正向造型數(shù)據(jù)建模創(chuàng)建完成后的手機音箱數(shù)模，如圖所示設(shè)計分析瓷鳴3D模型圖正向造型數(shù)據(jù)建模（1）繪制掃掠軌跡曲線草圖使用【草圖】命令，進入(XC-YC)平面，用【圓】命令畫出直徑490的圓形。單擊【完成草圖】按鈕，如圖所示完成掃掠軌跡曲線草圖。建模實施掃掠軌跡曲線1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模（2）創(chuàng)建截面輪廓橢圓首先，調(diào)整【W(wǎng)CS方向】坐標系，將ZC軸沿著YC軸旋轉(zhuǎn)-90°如圖所示W(wǎng)CS坐標系。建模實施WCS動態(tài)坐標調(diào)整1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模然后，選擇【插入】【曲線】【橢圓】命令，進入(XC-YC)平面，用【橢圓】命令，在選擇條中選擇【象限點】設(shè)置橢圓的長半軸25，短半軸26.5，單擊【確定】按鈕，如圖所示完成截面輪廓橢圓創(chuàng)建。建模實施創(chuàng)建橢圓曲線1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模（3）掃掠拉伸主體

選擇【插入】【曲面】【掃掠】命令，在截面對話框中選擇橢圓，在引導(dǎo)線對話框中選擇草圖中創(chuàng)建的直徑490的圓，單擊【確定】按鈕，如圖所示完成橢圓環(huán)的掃掠。建模實施創(chuàng)建橢圓環(huán)1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模（4）修剪橢圓環(huán)首先，創(chuàng)建修剪曲線草圖。如圖所示兩條直角。建模實施繪制兩條直線1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模然后，選擇剛剛創(chuàng)建的草圖曲線進行拉伸，如圖，完成修剪平面的創(chuàng)建。建模實施創(chuàng)建修建平面1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模最后，單擊【修剪體】命令，如圖完成對橢圓環(huán)的修剪得到音箱的主體結(jié)構(gòu)。建模實施修建橢圓環(huán)1創(chuàng)建音箱主體正向造型數(shù)據(jù)建模（1）創(chuàng)建WCS坐標系，選擇橢圓中心點調(diào)整坐標系角度，選擇YZ平面旋轉(zhuǎn)點，輸入角度30°，如圖所示，完成手機座槽坐標系創(chuàng)建。建模實施創(chuàng)建WCS坐標系2創(chuàng)建手機座槽及底墊正向造型數(shù)據(jù)建模（2）繪制手機座槽及聲孔曲線草圖選擇XC-YC平面進入草圖界面，完成如圖5-22所示草圖創(chuàng)建。建模實施手機座槽及聲孔曲線2創(chuàng)建手機座槽及底墊正向造型數(shù)據(jù)建模（3）創(chuàng)建手機座槽選擇【拉伸】命令，如圖所示，單擊【確定】完成手機座槽的創(chuàng)建。建模實施創(chuàng)建安放槽柱體2創(chuàng)建手機座槽及底墊正向造型數(shù)據(jù)建模（4）創(chuàng)建音箱底墊利用【修剪體】命令對主體進行裁剪。如圖所示，完成底墊的創(chuàng)建。建模實施修剪橢圓環(huán)2創(chuàng)建手機座槽及底墊正向造型數(shù)據(jù)建模利用【抽殼】命令，如圖所示，選擇橢圓環(huán)的兩個側(cè)面，輸入厚度為4mm，單擊【確定】按鈕，完成殼體創(chuàng)建。建模實施抽殼處理3細節(jié)設(shè)計正向造型數(shù)據(jù)建模（2）創(chuàng)建聲孔選擇【拉伸】命令，依次選擇拉伸截面及方向，單擊【確定】按鈕，完成聲孔的創(chuàng)建，如圖所示。建模實施拉伸聲孔3細節(jié)設(shè)計正向造型數(shù)據(jù)建模建模實施聲孔的效果3細節(jié)設(shè)計正向造型數(shù)據(jù)建模（3）圓角處理如圖所示，對瓷鳴外觀進行倒圓角。建模實施對整體進行倒圓角3細節(jié)設(shè)計正向造型數(shù)據(jù)建模如圖所示：手機音箱整體造型建模實施瓷鳴的整體造型3細節(jié)設(shè)計數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理設(shè)計完成，首先要將三維數(shù)模設(shè)計文件轉(zhuǎn)化輸出成快速成型設(shè)備能夠運行的數(shù)據(jù)文件。數(shù)模分層處理軟件可以看做數(shù)模和快速制造之間的橋梁，擁有對數(shù)據(jù)檢查、修復(fù)、優(yōu)化和分層處理等功能。數(shù)據(jù)處理技術(shù)對數(shù)模進行分層處理，并將其處理成層片文件格式后送入3D打印設(shè)備，3D打印設(shè)備接受數(shù)據(jù)處理后的層片文件即可開始進行快速成型制造。本例中使用的數(shù)據(jù)處理軟件是比利時Materialise公司推出的Magics（如圖所示）專業(yè)STL文件處理軟件。通過軟件將數(shù)模文件從模態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)構(gòu)，接下來的操縱都是在數(shù)字結(jié)構(gòu)下進行的，而數(shù)據(jù)處理的方法及精度也直接影響成型件的質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入文件在Magics中導(dǎo)入設(shè)計數(shù)模（如圖所示），導(dǎo)入方式很簡單。導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)處理檢查修復(fù)將音箱的數(shù)模放置在虛擬的加工平臺上，打開修復(fù)向?qū)?，對零件的?shù)模進行診斷和修復(fù)。三維數(shù)模從模態(tài)到數(shù)字的轉(zhuǎn)化，會不可避免地產(chǎn)生一些錯誤，常見的錯誤有法向錯誤、間隙錯誤、特征丟失錯誤等。Magics的修復(fù)向?qū)Чδ軓姶?，可以輕松修復(fù)翻轉(zhuǎn)三角形、壞邊、洞等各種缺陷，軟件自動進行分析和修復(fù)，使之成為完好的STL文件。對導(dǎo)入數(shù)據(jù)進行診斷和修復(fù)數(shù)據(jù)處理確定好數(shù)據(jù)模型無誤后，就要調(diào)整零件在加工平臺上的擺放位置和角度。對于光固化快速成型技術(shù)來講，零件在加工平臺上如何擺放，對加工時間、加工效率和加工質(zhì)量都會有影響。很多數(shù)據(jù)處理軟件提供自動擺放零件的功能，依據(jù)零件的幾何形狀，自動對零件進行嵌套排放，針對多個零件同時加工的情況，可使加工平臺上擺放的零件最多，加工時間最少，且保證加工時零件之間不會相互干涉。當(dāng)然這一點是針對多個零部件同時制造的情況，用以提高生產(chǎn)效率的方法，對于本例來講，作為單獨制造的零件，音箱模型放置在加工平臺中央即可，至于具體擺放角度和方向會根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)來確定。零件擺放數(shù)據(jù)處理生成支撐在快速成型制造中，大多數(shù)零件都需要用到支撐。支撐的作用不僅僅是支撐零件提供附加穩(wěn)定性，也是為了防止零件變形。零件變形可能是由于熱應(yīng)力、過熱或者添加材料時刮板的橫向擾動引起的，通過支撐結(jié)構(gòu)，以最少的接觸點完成熱量傳遞，可以獲得表面質(zhì)量較好的零件，也方便零件的后處理。Magics有自動生成支撐的功能模塊，可以自動、簡單、快捷地生成支撐結(jié)構(gòu)，支撐的適用性和可靠性對于零件的最終表面質(zhì)量至關(guān)重要。數(shù)據(jù)處理生成支撐本例在生成支撐前，需要設(shè)置零件的加工方向，加工方向決定著支撐的生成，而支撐會對表面質(zhì)量帶來影響，這一點在立體光固化中尤為明顯。首先設(shè)置的是零件的加工底面（如圖所示）。水平方向豎直方向傾斜方向數(shù)據(jù)處理生成支撐以上三種放置方向中，以音箱較為平滑的底面作為設(shè)置底面水平放置，支撐水平架構(gòu)在音箱底部，但是底部的支撐結(jié)構(gòu)較薄且豎直放置，在制件取出和后處理時較難進行，不易移除，在去除支撐的過程中有破壞零件的風(fēng)險。水平方向放置的音箱模型的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理生成支撐以豎直方向放置，產(chǎn)生的支撐最少，有利于節(jié)省支撐材料，但是支撐相對不夠穩(wěn)定，可能會在加工過程中出現(xiàn)變形，也不是合適的選擇。垂直方向放置的音箱模型的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理生成支撐綜合以上兩種方向的優(yōu)點，選擇一定角度傾斜放置音箱模型，增加底部支撐的厚度和寬度，提高支撐的穩(wěn)定性。并且通過創(chuàng)建帶角度的支撐，降低后處理的復(fù)雜性。重新選好底面后自動生成支撐結(jié)構(gòu)。傾斜方向放置的音箱模型的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理生成支撐支撐創(chuàng)建完成后預(yù)覽，觀察支撐是否合理，如不合理要刪除相關(guān)支撐，重新調(diào)整零件的擺放及角度，然后再次生成支撐預(yù)覽，直至滿意。Magics還有支撐修改、增加、刪除、查看等功能，使用者可以根據(jù)實際需求和經(jīng)驗對自動生成的支撐進行修改、刪除等操作。支撐結(jié)構(gòu)的類型有塊類支撐、柱類支撐等多種，為用戶提供更多的選擇，依照實際需求和加工條件選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)確認好后，要進行保存和輸出的工作。Magics支撐功能列表及各項參數(shù)數(shù)據(jù)處理切片處理完成所有支撐編輯工作后，即可開始對模型進行切片處理并保存文件送到快速成型設(shè)備上進行加工了。切片處理是數(shù)據(jù)處理的重要步驟，是將3D模型轉(zhuǎn)化為3D打印設(shè)備本身可執(zhí)行的代碼（如G代碼、M代碼等）的過程。Magics切片功能對話框及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)處理切片處理打開切片對話框，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。修復(fù)參數(shù)采用默認值即可，不用改動。設(shè)置切片參數(shù)，其中切片厚度即激光成型每掃描一層固化的厚度，對話框中兩處切片厚度的數(shù)據(jù)要保持一致。需要注意的是，應(yīng)勾選“包含支撐”，否則切片文件不包含支撐文件，會直接導(dǎo)致做壞件。設(shè)置完畢后，可以預(yù)覽整個加工過程，確認無誤后選擇合適的保存位置保存生成的*.cli及*_s.cli兩個文件，并將切片生成的文件按機器型號拷貝至相應(yīng)的文件夾，至此整個數(shù)據(jù)處理過程就完成了。模型生成過程模型生成過程得到切片數(shù)據(jù)后，即可轉(zhuǎn)入快速成型設(shè)備開始加工了。將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLA快速成型設(shè)備?？上仍谠O(shè)備上模擬整個零件制作過程，再次檢查是否有不當(dāng)之處以便及時修改，還可以看到系統(tǒng)預(yù)估的制作加工時間，方便安排生產(chǎn)?？焖俪尚驮O(shè)備操作系統(tǒng)界面模型生成過程整個SLA快速成型過程，幾乎不需要人工操作，點擊“開始”即開始加工，設(shè)備系統(tǒng)界面實時反映總加工高度、當(dāng)前加工高度、支撐速度、填充速度、輪廓速度及掃描線間距等參數(shù)，方便操作人員實時監(jiān)控加工過程。另有形象化的加工進程演示界面，直觀展示當(dāng)前加工狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)有無加工失誤之處，可以及時暫停。在加工平臺上，可以清晰的看到激光的掃描路線。光敏樹脂經(jīng)激光照射固化，層層疊加成型，最終制成產(chǎn)品。音箱SLA快速成型加工平臺現(xiàn)場SLA快速成型制成的音箱產(chǎn)品模型生成過程整個快速制造過程大約持續(xù)4小時左右，大大節(jié)省了制造時間?？焖俪尚偷淖詈笠徊骄褪菍⒋藭r得到的產(chǎn)品瀝干附著在表面的多余材料，轉(zhuǎn)至后處理平臺，等待進行去除支撐、清洗、二次光固化和打磨等后處理工序。瀝干附著在成型產(chǎn)品上的多余樹脂模型生成過程SLA快速成型設(shè)備參數(shù)如下表所示：案例名稱瓷鳴手機共鳴音箱成型方式SLA成型材料光敏樹脂9000快速成型設(shè)備型號上海聯(lián)泰RS6000成型方向由下到上支撐結(jié)構(gòu)和材料有/支撐材料和模型材料相同曝光原理激光束在材料表面進行逐點掃描成型尺寸600*600*400mm分層厚度0.05-0.25mm成型精度激光功率500/1000mW光斑直徑0.12-0.20mm掃描速度6-10m/s外型尺寸1460*1250*1900mm成型設(shè)備提供商上海聯(lián)泰科技股份有限公司成型后處理成型后處理手剝?nèi)コ粝渫獠恐慰焖俪尚偷玫匠醪疆a(chǎn)品后，還要對其進行必要的后處理工序才能得到最終的產(chǎn)品1去除支撐[]音箱的支撐有外部的支撐和腔體內(nèi)部對懸空部分的支撐。兩部分支撐都是塊狀支撐，整體呈蜂窩形。外部支撐和部分內(nèi)部支撐只需要用手輕輕掰掉即可去除，處理支撐時要戴防護手套。內(nèi)部懸空部分的支撐待酒精清洗時邊洗邊去除。剝除音箱支撐體成型后處理第一遍酒精清洗2清洗從快速成型設(shè)備