机械创新设计与3D打印

1、机械机械创新创新设计与设计与3D打印打印目录目录引子引子设计概述设计概述机械设计方法机械设计方法3D3D打印简介打印简介3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计结束语结束语引子引子http:/ 加州大学和雪城大学教授研究发表加州大学和雪城大学教授研究发表捕捕捉苹果全球供应网路利润捉苹果全球供应网路利润：被乔布斯咬去一小口的那只苹果，是被乔布斯咬去一小口的那只苹果，是全球众多粉丝崇拜的全球众多粉丝崇拜的偶像偶像；从利润的侧面看，咬去的绝不是一小从利润的侧面看，咬去的绝不是一小口，口，2010年每卖出一台年每卖出一台iPhone，独占，独占58.5%利润利润 ； 拿走第二大块利润的是塑胶、金属等拿

2、走第二大块利润的是塑胶、金属等原物料供应国或地区，占原物料供应国或地区，占22% ；作为主要组装地的中国大陆相关业者作为主要组装地的中国大陆相关业者从中仅能获得可怜的从中仅能获得可怜的1.8%；？引子引子微笑曲线微笑曲线尽管这些产品，包括大多数零部件尽管这些产品，包括大多数零部件都在中国生产制造，但是主要的利润都在中国生产制造，但是主要的利润流向了美国；流向了美国；苹果公司依然在美国保留了大部分苹果公司依然在美国保留了大部分的产品设计、软件开发、产品管理、的产品设计、软件开发、产品管理、市场营销和其他高价值分工市场营销和其他高价值分工 ；这是全球分工体系和价值链中的一这是全球分工体系和价值链中

3、的一种无奈，没有技术、没有创新就只能种无奈，没有技术、没有创新就只能处于低端，就只能获得最底层最廉价处于低端，就只能获得最底层最廉价的劳动力成本收益；的劳动力成本收益；难道我们只能靠拼劳动、拼资源、拼难道我们只能靠拼劳动、拼资源、拼环境，在价值链的底层获取环境，在价值链的底层获取“可怜的可怜的1.8%”？ ？引子引子引子引子引子引子2000-2009 Nobel Prizes in Science (Sciences: Physics, Chemistry, Medicine and Physiology, Economics)Nobel prize per capita 人均获得诺贝尔奖比例

4、人均获得诺贝尔奖比例引子引子设计概述设计概述设计概述：设计概述：l 设计是人类满足生存需要、创造物质文明的活动，设计的历史与人设计是人类满足生存需要、创造物质文明的活动，设计的历史与人类类5000年文明史同步。对年文明史同步。对“设计设计”的理解有广义和狭义之分，因人的理解有广义和狭义之分，因人而异而异。l 广义的设计指安排发展的方向、程序、细节及达到的目标；广义的设计指安排发展的方向、程序、细节及达到的目标；l 狭义的设计指将客观需求转化为满足该需求的技术系统的工程活动狭义的设计指将客观需求转化为满足该需求的技术系统的工程活动，也是将技术成果转化为工业产品也是将技术成果转化为工业产品提高提高

5、产品国际市场竞争力的具体表产品国际市场竞争力的具体表现形式现形式；l 据三国志据三国志魏志魏志高贵乡公髦高贵乡公髦(mao)传传“赂遗吾左右人，令因吾服赂遗吾左右人，令因吾服药，密因酖药，密因酖(dan)毒，重相设计毒，重相设计”。元代尚仲贤气英布第一折元代尚仲贤气英布第一折“运筹设计，让之张良；点将出师，属之韩信运筹设计，让之张良；点将出师，属之韩信”。但是这里的设计但是这里的设计更多的是属于谋略设计。更多的是属于谋略设计。l 我们现在所熟悉的更具体的设计应该包括为了满足审美需求的艺术我们现在所熟悉的更具体的设计应该包括为了满足审美需求的艺术设计和为了满足功能需求的工程设计，但两者经常相互渗

6、透甚至融设计和为了满足功能需求的工程设计，但两者经常相互渗透甚至融为一体，即对某一产品既追求功能完备又满足审美需求。为一体，即对某一产品既追求功能完备又满足审美需求。设计过程：设计过程：l 设计离不开创新，产品设计过程本质上是一个由分析到综合的反设计离不开创新，产品设计过程本质上是一个由分析到综合的反复迭代复迭代的的创新过程创新过程，是将创新构思转化为有竞争力产品的过程是将创新构思转化为有竞争力产品的过程；l 传统的设计以经验公式、图表、手册为依据，常常忽略应当考虑但限于当时科技水平难以考虑的重要的甚至必要的因素，用收敛性思维方式考虑了有限的变量，过早地进入具体方案，结果只能是粗略地满足某些特

7、定条件，感性地达到系统功能输出的要求；l 现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，集近代与现代各种科学方法论之精髓运用于设计领域，特别是各种技术的创新发展与应用，使设计活动产生了质的飞跃，从随意的、经验的、感性的、静态的与手工的传统设计跃变为必然的、科学的、理性的、动态的与智能化的现代设计。设计概述设计概述随着经济全球化和企业竞争的加剧，产品开发面临极大的挑战随着经济全球化和企业竞争的加剧，产品开发面临极大的挑战：（1）产品适销期明显缩短，产品开发周期明显缩短。）产品适销期明显缩短，产品开发周期明显缩短。（2）产品品种数量急剧增加。）产品品种数量急剧增加。个性化、订单式。（3）设计对象越

8、来越复杂。）设计对象越来越复杂。高性能、多功能、复杂结构、傻瓜化、系统化。（4）设计过程越来越复杂。）设计过程越来越复杂。团队、网络化、并行设计。（5）对设计产品的要求越来越高。）对设计产品的要求越来越高。人性化、造型设计要求。功能与审美。环保要求：可拆卸全寿命设计理念。价格、交货期短，售后服务与配件设计。（6）设计风险加大。）设计风险加大。 设计人员在许多不确定性因素要迅速做出设计决策，知识产权风险。设计概述设计概述设计发展历史：设计发展历史：l 设计是人类创造物质文明的工程活动，设计的历史同步于人类的文明史；l 早在石器时代，根据经验制造的工具已经蕴涵着现代设计方法的一些基本原则。如河南新

9、郑出土的距今7000多年前用于加工谷物的石磨盘和石磨棒，在实现碾磨谷物功能要求的同时又遵循着简省结构、方便操作等原理。l 随着生产和科技的迅速发展，数学方法向各学科渗透，设计方法得到了不断的发展。设计概述设计概述设计发展历史：设计发展历史：l 直觉设计阶段直觉设计阶段：当人们首次遇到设计对象时，因时制宜地根据直觉需要进行自发设计。这种设计方法完全取决于人的智力、灵感与不断的试验摸索和经验积累，设计周期长，具有很大偶然性，无经验可供借鉴。l 自动锯木机也是通过直觉设计诞生的。首先靠两人手工拉锯；后来利用杠杆原理两人配合采用手摇圆锯；接着利用水力使主体运动机械化，则只要一人就可操作；然后增加了弹簧

10、测力器及水流闸（速度控制器）等调控部件，工人只要观察锯力表，用一只手扳动杠杆调节水流大小，即可工作；最后用一条绳来根据锯木力大小自动调节速度，这样工人只要装卸木料即可工作。前后经过了几个世纪，才设计成半自动锯木机。设计概述设计概述设计发展历史：设计发展历史：l 经验设计阶段经验设计阶段：当人们有了丰富的设计实践以后，通过力学与数学的密切联系以及手工艺人和设计者间的联合协作，使用经验数学公式（如制成图、表或手册供参考）作为设计计算和类比的主要依据。针对设计对象修改这些经验数学公式，使设计水平推进一步。l 第二次世界大战之前，技术发达国家的产品设计大都是参考现成产品图纸或手册中的经验数据，经过二、

11、三次设计与试制的反复循环，才能投入生产。因此设计周期仍然较长，即使局部有革新，步伐也不可能大，而且可能会因某些零件或小系统设计不当，引起样机报废。l 这种方法的样机试制图纸可用率平均为50%左右。l 如唐代的江东犁、南宋的活塞风箱、宋代的水转大纺车等依靠直觉设计和经验设计通过不断完善而使工具更加精细。设计概述设计概述设计发展历史：设计发展历史：l 中间试验辅助设计中间试验辅助设计（半经验半理论设计阶段半经验半理论设计阶段）：）：随着科技发展，强化了设计的基础理论和试验的深入研究，逐步形成了一套半经验半理论的设计方法，采用局部试验、模拟试验作为设计过程辅助手段。测试取得系统或机器工作过程内在规律

12、的数据，来指导结构与参数的选择。如20世纪50年代后期逐渐吸取飞机模型风洞试验等经验，对机器的关键部件，通过模型试验确定较好的结构与参数。样机试制后基本达到设计要求，设计图纸可用率达到了7080%。试制周期缩短，人力物力大大节省，并得到逐步推广。设计概述设计概述设计发展历史：设计发展历史：l现代设计方法现代设计方法：研究设计程序、设计规律、设计思维与工作方法，是以设计产品为目标的知识群体，在设计各阶段采用某些合宜的、有效的方法和技术。这种方法设计质量高，周期短。l现代设计方法是随着数学方法、控制理论及计算机的发展，并在前三阶段的发展进程中逐渐形成自身的科学体系。这个阶段可分为三个时期：l 萌芽

13、期（17世纪中叶 至20世纪40年代）：牛顿莱布尼兹发明了微积分 ，德国F. Reuleaux在理论运动学中提出了“过程规划”的模型 ，Kesselring提出五项结构设计原理：最低成本原理、最小尺寸原理、最小质量原理、最低损耗原理和最方便操作原理。 l 发展期（20世纪40年代至60年代） ：提出 “关键在于设计”口号，将设计进程明确划分为方案设计、技术设计、工艺设计三个阶段，慕尼黑大学W. G. Rodenacker第一个被任命为从事设计方法学研究的教授，提出对设计过程、设计中的转换等的研究方向。 l 普及期（20世纪60年代至今） ：机械工程设计引入系统科学、信息科学理论与方法，更广泛借

14、助现代数学方法和计算技术，设计目标被综合为功能质量成本的系统优化 。 设计概述设计概述培养高层次设计人才的需要：培养高层次设计人才的需要：l 设计工程师是推动知识创新和 设计技术发展的主体。l 机械设计方法学是一门综合性学科，使学生从整体上认识与把握现代设计方法在机电产品设计中的应用，掌握机械现代设计的基本理论与技能，提高机电产品设计水平。设计概述设计概述3D3D打印简介打印简介等材制造减材制造增材制造？制造铸/锻/焊等切削加工等粉片液丝等？锻造机床等切削机床3D打印机等？千年千年百年百年20年年？年？年制制造造技技术术分分类类原理原理工艺工艺设备设备方法论方法论制造技术分类制造技术分类3D3

15、D打印简介打印简介增材制造增材制造/3D打印：分类打印：分类第第1类类1984年提出年提出非金属模型样机增材制造非金属模型样机增材制造：间接制造：间接制造用途用途：新产品设计开发；文化艺术创造：新产品设计开发；文化艺术创造第第2类类非金属生物医学非金属生物医学“支架支架”增材制造增材制造：间接制造：间接制造用途用途：硬组织：硬组织/软组织、人体器官的体外或体内软组织、人体器官的体外或体内“培养培养”第第3类类1992年开始年开始高性能金属构件增材制造高性能金属构件增材制造：直接制造：直接制造用途用途：国防及工业机械装备制造：国防及工业机械装备制造3D3D打印简介打印简介3D3D打印简介打印简介

16、3D3D打印简介打印简介3D打印概述打印概述3D3D打印简介打印简介3D打印概述打印概述3D3D打印简介打印简介3D打印概述打印概述3D3D打印简介打印简介3D打印发展历史打印发展历史3D3D打印简介打印简介3D打印发展历史打印发展历史3D3D打印简介打印简介3D打印发展历史打印发展历史3D3D打印简介打印简介SLALOMSLS3DPFDM3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介SLA3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介LOMLOM：Laminated object manufacturingLaminated object manufa

17、cturing3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介SLSSLS3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介FDM Fused deposition modeling Fused deposition modeling 3D打印技术打印技术3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介大鼠肝脏大鼠肝脏支架细胞复合体体内植入支架细胞复合体体内植入3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打

18、印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介网络网络+3D打印打印云制造云制造3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介

19、3D打印发展打印发展3D3D打印简介打印简介3D打印发展打印发展用3D打印来预测试机械设计的效果，从而降低设计费用；英国诺丁汉大学增材制造和3D打印研究学会主管理查德-海格(Richard Hague)设计的3D打印“终结者机械手臂”，是采用透明塑料个性化定制设计。3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计产品停留在设计周期时间越长，推向市场的时间也会越长，这就意味着产品停留在设计周期时间越长，推向市场的时间也会越长，这就意味着企业的潜在利润将会越来越少。企业的潜在利润将会越来越少。（许廷涛. 3D打印技术产品设计新思维. 电脑与电信，2012（9）：5-7） 概念模型：在设计流程早期，使用概念

20、模型：在设计流程早期，使用3D3D打印技术去构造模型，可以检查打印技术去构造模型，可以检查设计产品的结设计产品的结构、外形和功效，发现任何缺点都可以第一时间修改设计。此后如果有需要可以再构、外形和功效，发现任何缺点都可以第一时间修改设计。此后如果有需要可以再次构造、检查和为该设计，重复这个迭代过程，直到设计出最好的概念模型。将二次构造、检查和为该设计，重复这个迭代过程，直到设计出最好的概念模型。将二维的设计图转变为真实的三维产品，可以更好地展示设计和加速产品开发流程，降维的设计图转变为真实的三维产品，可以更好地展示设计和加速产品开发流程，降低成本。低成本。 功能原型：可以通过制造功能原型去证明

21、设计的合理性以及实用三维产品进行性能功能原型：可以通过制造功能原型去证明设计的合理性以及实用三维产品进行性能测试和工程评价。功能原型组件的制作可以提高效率，避免出现工程性变更。测试和工程评价。功能原型组件的制作可以提高效率，避免出现工程性变更。 工具制造：利用工具制造：利用3D3D打印技术及分层制造设备设计制造结构精密、质量轻盈、符合人打印技术及分层制造设备设计制造结构精密、质量轻盈、符合人体工程学的钻模、夹具、测量仪器、样品、模型、压铸模等工具。体工程学的钻模、夹具、测量仪器、样品、模型、压铸模等工具。 成品制造：突破了传统生产流程的限制，可以在定制业务或小批量产品制造方面开成品制造：突破了

22、传统生产流程的限制，可以在定制业务或小批量产品制造方面开拓市场。拓市场。创新设计概述创新设计概述机械化生产大规模生产定制分散生产18世纪下半叶：工厂取代作坊世纪下半叶：工厂取代作坊20世纪初：流水线普遍应用世纪初：流水线普遍应用21世纪初：数字化制造世纪初：数字化制造21世纪世纪三大前三大前沿科技沿科技大数据大数据场场移动移动网络网络智能化智能化生产生产创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计数字化智能化拟人化绿色化21世纪世纪三大前三大前沿科技沿科技大数据大数据场场移动移动网络网络智能化智能化生产生产创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计数字

23、化智能化拟人化绿色化驱动传动驱动传动更高效更高效高精度、高灵敏度高精度、高灵敏度低能耗、复合驱动低能耗、复合驱动低排放、新型传动低排放、新型传动运行控制运行控制更智能更智能变工况、变环境变工况、变环境自主决策与应变自主决策与应变感知与控制集成感知与控制集成核心技术核心技术数字设计数字设计创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计数字化智能化拟人化绿色化工作环境工作环境更极端更极端深海极高压环境深海极高压环境极低（高）温环境极低（高）温环境生物体异类环境生物体异类环境系统尺度系统尺度更多样更多样尺度效应作用显现尺度效应作用显现物理化学多行为交互物理化学多行为交互微观尺度行为

24、控制微观尺度行为控制核心技术核心技术机电液系统机电液系统创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计中国制造的怪圈中国制造的怪圈贸易贸易纠纷纠纷技术技术壁垒壁垒竞相竞相压价压价无力投入无力投入产品开发产品开发 缺乏缺乏 自自主设计主设计 技术技术 含量低含量低廉价廉价出口出口走出走出“中国中国制造怪圈制造怪圈”的突破点的突破点中国中国制造制造利润利润 空间低空间低创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计客户化智能化全球化数字化制造企业的增值制造企业的增值集成化产品产品创新产品创新产品提供产品提供产品提供提供创新产品创新产品增增值值创新设计概述创新设计

25、概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计客户化智能化全球化数字化制造企业的增值制造企业的增值集成化提供产品提供产品提供提供创新产品创新产品创新设计创新设计技术支撑技术支撑创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计设计的设计的价值价值附加值附加值设计的价值设计的价值核心核心技术技术拓展拓展市场市场品牌品牌产业产业链条链条转型转型升级升级创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计只有通过设计才能只有通过设计才能掌握核心技术掌握核心技术设计（核心设计（核心技术）技术）制造（生产）制造（生产）市场（销售）市场（销售）创新设计概述创新设计概述3D3D打印助

26、推创新设计打印助推创新设计转型转型升级升级只有通过设计才能只有通过设计才能真正实现转型升级真正实现转型升级工艺（核心技术）工艺（核心技术）材料（制造基础）材料（制造基础）设计（自主创新）设计（自主创新）产业转型产业升级体制转轨劳动力转移新产业代替旧产业产品质量改良新产品出现技术水准提升创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计产品设计的内容产品设计的内容创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计复杂机电产复杂机电产品设计制造品设计制造大型注塑大型注塑装备设计装备设计难题难题复杂机电产品设计难题复杂机电产品设计难题压缩机设计压缩机设计难题难题高速列车高

27、速列车设计难题设计难题大型除尘大型除尘设备设计设备设计难题难题高档机床高档机床设计难题设计难题大型空分大型空分装备设计装备设计难题难题对数字化设计的共性需求对数字化设计的共性需求自主创新高效设计高性能高品质低碳环保新领域新知识创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计对数字化设计的共性需求对数字化设计的共性需求自主创新高效设计高性能高品质低碳环保新领域新知识面向自主创新自主创新的产品数字化设计 面向新领域新领域的产品数字化设计面向设计效率设计效率的产品数字化设计面向质量性能质量性能的产品数字化设计面向低碳环保低碳环保的产品数字化设计产品概念设计与创新技术基于知识的智能设计

28、技术大批量定制与模块化设计技术数字样机与仿真设计技术产品保质设计与稳健技术产品多学科融合设计技术绿色设计与生态化设计技术 复杂产品可重用设计技术 面向再制造的再设计技术面向新领域综合新原理新知识的设计技术复杂机电产品数字化设计复杂机电产品数字化设计10大新技术大新技术创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计产品概念设计与创新技术产品概念设计与创新技术创新设计创新设计产品新的功能产品新的功能产品新的原理产品新的原理产品新的工艺产品新的工艺产品新的结构产品新的结构创新设计概述创新设计概述3D3D打印助推创新设计打印助推创新设计制造模式的发展历程制造模式的发展历程以产品为以产品为中心中心以顾客为以顾客为中心中心以市场为以市场为中心中心企业外部变化企业外