一种折叠式3D打印机的工业设计研究与实践

刘玮 陈祖尧 樊志洁

摘要：对市场轻量级3D打印机产品的成型技术应用现状、工业设计现状开展了分析，总结了3D打印机的小型化、轻量化、时尚化发展趋势。基于目标人群需求及使用场景明确了折叠式3D打印机产品定义及设计要求，并开展了工业设计分析与实践，从产品的附加功能、折叠方式、整体形象、CMF等方面开展了系统设计，塑造了科技、简约、时尚的产品形象特征。

关键词：3D打印机;折叠;工业设计

3D打印技术作为一种新兴的快速制造技术，经过30余年的不断发展和应用领域的不断拓展，已与制造业、工业设计、建筑、服饰、医疗、科学研究等多领域交叉融合，对传统制造业的升级、服务业的发展产生了深远的影响。随着社会对3D打印技术的教育普及需求、万众创新背景下人们的创新及个性化定制需求等市场需求的大量出现，开发轻量级、小型化、灵活化的消费电器型3D打印机成为3D打印机市场新的增长点。

1轻量级3D打印机产品现状及发展趋势

1.1成型技术应用现状

3D打印的成型工艺主要有光固化成型（Stereolithographyapparatus，SLA）、叠层实体制造（Laminated object manufacturing，LOM）、选择性激光烧结（selected laser sintering，SLS）、熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）、三维印刷（three dimension printing，3DP）五类[1]。

1.2工业设计现状

随着大众DIY爱好者、教育机构、设计服务、创客空间等轻量级产品市场的快速成长，外形小巧、使用方便、操作简单、适合办公、家庭等环境使用的桌面型3D打印机迅速发展。较成熟的桌面型3D打印机产品多采用以下结构形式：

（1） 箱型结构

箱型结构是目前桌面3D打印机市场上最为成熟的一种形式。一般采用薄木板、铝薄板或有机玻璃板制成封闭箱型机身，使产品外观具有较好的整体感和商业性，可将电气线路等较好地布置于箱型机身内部，将控制系统布置于机身下部或背部。相对封闭的打印空间可也在一定程度上隔离耗材产生的异味。箱型结构同时也为产品外观色剂留下了更多的空间。如美国 MakerBot 公司的产品MakerBot Replicator23D打印机。

（2） 龙门型结构

龙门型结构的打印平台前后运动实现Y轴运动，打印头在X轴上左右运动，整个X轴上下运动实现Z轴运动，具有结构简单、成本低廉等优点，可将电气线路沿龙门结构布置，控制系统可布置于机身下部[1]。如美国3D Systems公司的第二代消费型Cube3D打印机。由于打印平台有Y轴运动，龙门结构仅适合应用于小型3D打印机，否则易产生模型晃动，导致打印失败。

1.3轻量级3D打印机发展趋势

随着3D打印技术的发展成熟和产品市场的培育普及，3D打印机价格大幅下降，体积小巧、操作简便、打印速度块、便于收纳与携带、易于维护、后续服务附加值高的轻量级、消费电器型3D打印机成为普通用户和教育市场的主流需求。

2折叠式3D打印机工业设计分析

2.1产品定义与设计要求

折叠式3D打印机基于ABS熔融沉积成型技术及龙门式结构，通过对龙门结构立柱与悬臂进行结构设计，实现折叠收纳的功能[2]。产品目标人群为：普通家庭、设计师、教育培训人员、DIY爱好者等，使用环境为：家庭、设计工作室、教室、创客空间等。工业设计目标为：基于产品的技术与结构，对产品开展系统性设计，使其功能完备、造型美观简洁、折叠收纳状态和展开打印状态均具有较好的形态美感、外观满足钣金制造工艺要求、人机关系和谐、色彩亮丽、满足消费者的不同喜好。

2.2产品设计思路

（1）附加功能设计

通过用户需求调查及用户行为观察，紧密围绕产品的易用性这一核心进行附加功能设计：增加扩展接口实现产品脱机打印功能;采用触屏设计，简化人机操作硬界面，便于用户直接操控。

（2）折叠方式优化

通过实际使用体验发现，由于现有折叠结构的使用痛点，需要对折叠方式进行优化设计、简化折叠操作步骤。

（3） 外观形象塑造

在产品设计中，外观是给予产品最直观的感受，通过造型设计建立良好的产品及品牌形象。

（4） CMF个性化设计

产品设计中对色彩、材料、质感等设计对象的细节处理，会显著提升产品的整体特征与形象，在视觉和情感上产生进一步的审美效果[3]。折叠式3D打印机在控制制造成本、保证工艺简洁的同时，应同时应突出作为消费类电子产品的色彩设计要求，突出个性化和多元化设计特征，增加产品的亲和力。

3折叠式3D打印机工业设计实践

设计方案首先对3D打印机龙门架的折叠方式进行了优化设计（如图1所示）：将打印机上盖板（即打印平台）设计为可拆卸式，折叠时先将上盖板取下，再将龙门架立柱与悬臂旋转90°，即可完成折叠操作，最后将上盖板安装复位。经测试，优化后的折叠方式操作简便性大大提高，上盖板与机体连接方式经合理设计，拆卸及安装方便、结构稳定，对打印性能未产生不良影响。

外观形象遵循科技型產品的基本设计原则，采用简约的几何体造型。为避免整体造型生硬呆板，高度轮廓线采用了圆角设计;为使产品从视觉上产生轻薄感，顶部和底部的轮廓线采用了斜角设计。立柱上嵌入安装产品品牌logo，该logo同时也是工作状态灯，打印机工作时logo亮起，传达品牌形象。设计方案如图2所示。

色彩设计主要体现产品的现代感和时尚感。在配色方面，根据??产品形态外观进行合理的色彩分割，主要将其划分为上下盖板和机身两个部分，进行色彩对比与调和设计，丰富配色方案。在材质上，根据打印机各结构部件的性能区别，上下盖板使用亚克力材料。亚克力板材具有良好的光洁度、色彩性、观赏性，同时具有良好的耐冲击性和优良的抗变形能力，在确保打印性能的前提下，可有效提高产品的质感。机身选为钣金件，表面处理采用拉丝工艺，通过拉丝的深浅、粗细、丝线的顺序产生金属的材质美感，提升产品的形象。小巧简单的机身、简约时尚的造型、丰富靓丽的配色为产品营造出自由、轻松、多元的应用场景（图3）。

4结论

折叠式3D打印机是在3D打印机产品发展日益呈现出的轻量级、消费型发展趋势下，以普通家庭教师、设计工作者、教育培训人员、DIY爱好者等为主要目标人群，开发的体积小巧、便于携带，操作简单、经济实用的小型3D打印机产品。从工业设计的视角，在确保成型性能要求的基础上，通过附加功能设计、折叠结构优化、外观形象设计、CMF个性化设计等对产品进行了系统化设计，凸显了产品在结构功能与视觉形象方面的特色创新，是对3D打印机新产品设计开发的有益尝试，为广大用户更好地体验实践的乐趣提供了更多的可能性。

参考文献：

[1]杨继全，戴宁，侯丽雅.三维打印设计与制造[M].北京：科学出版社，2013：2-3.

[2]商智高，郭韬，吴宇轩，董子铭，彭朝阳，周蕊，吴恩铭.可折叠FDM 3D打印机设计与研究[J].科技与创新，2019（10）：47-49.

[3]田会娟.消费类电子产品CMF创新设计研究[J].中国新技术新产品，2020（09）：95-97.

基金项目：【1】江苏省教育厅哲学社会科学研究项目“工业设计加速江苏3D打印产业发展的方法与应用研究”（2015SJB042）

【2】教育部人文社会科学基金资助项目（17YJCZH231）;

【3】教育部产学研协同育人项目（201901024002）