描述

總體概述

衛生 ！如今，這個詞已成為我們日常生活的一部分，尤其是最近的影響，但盡管所有建議都不足以減少與經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。經常接觸的物體可能會帶來健康風險并增加傳播。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，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備，這至少會很麻煩。該解決方案的預期目標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、實用且美觀的產品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創新和獨特的設計，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、實用且美觀的產品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創新和獨特的設計，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、實用且美觀的產品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創新和獨特的設計，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（靜態應力和減重），我的最終設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。該設計經過優化，可通過 FDM 技術進行 3D 打印，并可作為單個零件以減少公差不確定性。有關完整詳細信息，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，則應使用導電 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，第一個是我的設計過程（1-11），第二個是我是如何設計和創建模型的（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-結束）

第 1 部分：設計過程

第 1 步：設計過程介紹

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

• 概念創作
• 概念評估
• 最終概念
• 測試
• 迭代
• 最終設計

這是一個基本的設計過程，遵循該過程可以輸出經過嚴格評估的選定設計。然而，并非設計過程中產生的每一個設計都是正確的解決方案。公正地評估最終結果總是很重要的。對于這個項目，我做了一些關鍵的考慮，稍后將進一步詳細解釋：

• 價值工程
• 以人為本的設計方法
• 精益設計
• 設計思維

第 2 步：價值工程簡介

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

• 質量減少：使用 FEA 分析，我們可以針對需要更多功能材料的區域，同時減少不需要的區域。
• 設計規范：通過確保預先確定的標準到位，我們可以降低設計的成本和質量，同時確保滿足我們所有必要的規范點

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計技術。

第 3 步：以人為本的設計簡介

以人為本的設計一直是可持續性設計的主要內容。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
• 技術可行性
• 商業可行性

通過將這些方面應用于產品，客戶采用率更高。設計框架還結合了人體工程學和人體測量學。當設計師需要以人為本的設計方法時，會收集以下類型的數據：

主要：問卷調查、焦點小組等。

次要：人體工程學和人體測量學

第 4 步：了解以人為本設計的重要性

在這個項目中，以人為本的設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。在生產解決發展中國家目標問題的產品時，以人為中心的設計方法可確保提供經過深思熟慮和現實的設計，可廣泛采用。

第 5 步：設計思維導論

設計思維是設計過程中非常重要的一部分，它允許用戶理解并幫助創新。步驟是：

• 移情：情境研究和理解用戶需求
• 定義：項目約束和問題發展
• Ideate : 解決方案集思廣益和開發
• 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市場。在許多不同的國家，這個問題可能對人們產生不同的影響。考慮一系列因素很重要。對于這個設計，我的目標市場是：“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、實用且美觀的產品，且外形小巧，便于攜帶。”

現在考慮目標市場，為了最大化產品交互，必須考慮以下因素：

• 人體測量學：人類數據的測量，在這種情況下，手測量是最合適的
• 人體工程學：產品的人類使用優化
• 刺激方式：使用產品時增強的感官，在這種情況下，機械感受是最重要的。研究表明，多感官設計（當多感官交互時）可以提供更好的可用性和滿意度。

第 7 步：數據收集

對于這個項目，我收集了一些數據以更好地了解我的用戶。在這種情況下，我使用了問卷并發布到論壇上。數據收集是通知您的設計的重要過程，應始終公正地進行。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：制定設計規范

設計規范允許簡單的約束，為產品提供指導。一個好的規范將有 5 個必須點、4 個應該點和 3 個可以點。以下是設計規范的指南列表：

• 規范點是可行的
• 規格點是可測量的
• 規格點非常具體
• 規格點基于研究和數據

第 9 步：設計簡介

簡要概述了您將解決的問題，并且應該/包含：

• 預定義的問題
• 目標市場
• 產品環境/使用地點

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

第 10 步：產品概念

完成所有設計約束和整體數據后，下一階段是設計概念。藍天思維是在根據預定因素將想法提煉成概念之前進行頭腦風暴的有效方式。我創建并勾勒出 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計規范，使用決策矩陣。決策矩陣以數字方式比較每個想法的規范點（通常為 5 個），并且通常根據相關重要性進行加權。然后對分數進行總計，應選擇得分最高的設計。我已經發布了一個示例（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 軟件創建設計

第 12 步：在 Fusion 360 中繪制草圖

選擇我的設計后，接下來的步驟是使用 CAD 軟件創建我的模型。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徑的旋鈕尺寸數據創建設計的基本輪廓。

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。在意識到設計需要稍微大一點后，我決定添加 1.2 的比例以更好地調整設計以適應預期用途。

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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，我發現它最適合各種人群。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建一條鏡像線
• 添加一個圓圈并使用智能尺寸工具相應地調整其大小（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域。
• 將圖案鏡像到另一側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）

為確保產品可持續使用，使用 LCA（生命周期分析）來確定某些產品對市場的影響。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：使用可持續思維設置 LCA

設置功能單元并添加系統邊界和產品系統。對于這個項目，功能單元將在一年之后創建一個參考概念。

第 15 步：添加 SBOM 數據

對于我的初始設計，Fusion 360 估計將使用約 75g 的 PLA。我將制造設置為擠壓，在垃圾填埋場結束生命，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：使用更新的設計重復這些步驟并進行比較

我改變了設計的尺寸并減少了 Fusion 360 中的質量部分。結果顯示，由于質量的減少，改進了 100%。

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第 4 節：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，材料最終會表現出各向異性

第 17 步：應力分析和設計細化

在我們繼續減少質量之前，重要的是我們移除任何結構不良且容易斷裂的區域。最好的方法是應力分析。對于這個項目，我們將使用靜態應力分析。

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

導航到模擬選項卡并選擇靜態應力分析。首先將力添加為結構載荷。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，考慮設計的哪些部分在施加力時不應移動。我決定對外部曲線施加約束。

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

我還測試了內部應力，以確保在較大直徑上滑動時不會損壞設計。

第 18 步：Fusion 360 上的形狀優化

這是質量減少的第一部分，將與 ANSYS 軟件結合使用。

• 創建新的模擬選擇形狀優化后，請注意這不能在本地完成，將使用云積分！
• 重復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化的可靠性。
• 求解后，使用滑塊確定所需材料并推動網格。然后將網格導出為 an.obj（用于 ansys）和 a.stl 用于切片
• 返回原始設計并將文件導出為iges或step文件（step更容易）

第 19 步：ANSYS 形狀優化

• 導航到工作臺并創建一個新的靜態結構研究并將模型導入為幾何體
• 打開模型并開始像在 Fusion 360 上一樣重新創建應力模擬
• 求解模型，我建議在求解等效應力之前查看總變形，以確保一切功能齊全且如您所愿。
• 導航到解決方案層次結構并右鍵單擊應力按鈕，然后單擊等效應力并求解。
• 單擊未變形的版本并創建一個加蓋的等值面（底部）
• 拖動滑塊以確定所需的材料數量，然后將網格導出為 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。選擇了減少質量的 3D 打印，以減少質量并改善大規模制造。

第 21 步：設置 PrusaSlicer

導航到打印設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：導入第一個文件

通過拖放文件將名為“Mass Reduction Infill”的文件導入工作區。如果您在導入時沒有看到任何內容，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載修改器

確保您處于專家模式，導航到屏幕右側的層次結構。在第一個文件上導航到編輯圖標按鈕，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：修復模型

使用 netfabb 服務，通過右鍵單擊警告三角形，您應該能夠自動修復模型的任何問題

第 25 步：更改負載修改器上的填充

單擊負載修改器編輯部分下的設置齒輪圖標，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（層次結構中最高）。

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

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

第27步：切片

一切準備就緒后，點擊切片按鈕并將文件導出為 g 代碼。然后可以將其傳輸到您的 3D 打印機！

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第 28 步：打印

非常感謝 3D 打印設計的社區成員！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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