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適用于COVID-19的FEA優(yōu)化的無(wú)觸控一體式工具

2513681 2022-11-24 | zip | 0.58 MB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

描述

總體概述

衛(wèi)生！如今，這個(gè)詞已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，尤其是最近的影響，但盡管所有建議都不足以減少與經(jīng)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(huì)在物體（污染物）上徘徊。經(jīng)常接觸的物體可能會(huì)帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)并增加傳播。常見(jiàn)交互對(duì)象的一個(gè)??示例是門把手，用戶通常直接接觸即可打開(kāi)。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，從使用肘部到腿部，COVID-19 改變了我們與日常物品的互動(dòng)。市場(chǎng)上有一些聲稱可以打開(kāi)門并按下按鈕的解決方案。但是，沒(méi)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(gè)設(shè)備，這至少會(huì)很麻煩。該解決方案的預(yù)期目標(biāo)市場(chǎng)包括兒童直到老年人，他們需要一個(gè)有效的解決方案來(lái)與常用交互對(duì)象進(jìn)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(jià)格實(shí)惠、實(shí)用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，外形時(shí)尚，能夠打開(kāi)許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)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(jià)格實(shí)惠、實(shí)用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，外形時(shí)尚，能夠打開(kāi)許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)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(jià)格實(shí)惠、實(shí)用且美觀的產(chǎn)品，外形小巧，便于攜帶。我的解決方案是創(chuàng)新和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，外形時(shí)尚，能夠打開(kāi)許多門把手甚至旋鈕！它還可以用作觸摸屏設(shè)備的觸控筆，可用于按下任何按鈕。

通過(guò)多次迭代、FEA 分析（靜態(tài)應(yīng)力和減重），我的最終設(shè)計(jì)是一個(gè)功能性解決方案，可滿足消費(fèi)者的需求，提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可通過(guò) FDM 技術(shù)進(jìn)行 3D 打印，并可作為單個(gè)零件以減少公差不確定性。有關(guān)完整詳細(xì)信息，請(qǐng)記住訪問(wèn)隨附的簡(jiǎn)報(bào)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(jī)的觸摸屏一起使用，則應(yīng)使用導(dǎo)電 PLA。要獲得更可靠的版本，請(qǐng)考慮使用 PET-G，它更靈活、更強(qiáng)大！

本教程分為五個(gè)部分，第一個(gè)是我的設(shè)計(jì)過(guò)程（1-11），第二個(gè)是我是如何設(shè)計(jì)和創(chuàng)建模型的（12-13），第三個(gè)是生命周期分析（14-16），第四是有限元分析（17-19）第五是3D打?。?0-結(jié)束）

第 1 部分：設(shè)計(jì)過(guò)程

我的設(shè)計(jì)過(guò)程

第 1 步：設(shè)計(jì)過(guò)程介紹

對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目，您很有可能會(huì)面臨創(chuàng)建特定流程和工作流的問(wèn)題。在工程中，這被稱為“設(shè)計(jì)過(guò)程”。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及以下步驟：

概念創(chuàng)作
概念評(píng)估
最終概念
測(cè)試
迭代
最終設(shè)計(jì)

這是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)過(guò)程，遵循該過(guò)程可以輸出經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)估的選定設(shè)計(jì)。然而，并非設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的每一個(gè)設(shè)計(jì)都是正確的解決方案。公正地評(píng)估最終結(jié)果總是很重要的。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我做了一些關(guān)鍵的考慮，稍后將進(jìn)一步詳細(xì)解釋：

價(jià)值工程
以人為本的設(shè)計(jì)方法
精益設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)思維

第 2 步：價(jià)值工程簡(jiǎn)介

價(jià)值工程是一種降低產(chǎn)品成本，同時(shí)不損害產(chǎn)品功能的方法。這通常適用于需要大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，因?yàn)槊恳豁?xiàng)削減成本的措施都可以顯著降低生產(chǎn)成本。在考慮價(jià)值工程時(shí)，重要的是應(yīng)該減少或改變產(chǎn)品的功能。對(duì)于此設(shè)計(jì)，將使用以下價(jià)值工程技術(shù)：

質(zhì)量減少：使用 FEA 分析，我們可以針對(duì)需要更多功能材料的區(qū)域，同時(shí)減少不需要的區(qū)域。
設(shè)計(jì)規(guī)范：通過(guò)確保預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)到位，我們可以降低設(shè)計(jì)的成本和質(zhì)量，同時(shí)確保滿足我們所有必要的規(guī)范點(diǎn)

作為價(jià)值工程的一部分，我們還可以實(shí)施旨在減少材料的精益制造和設(shè)計(jì)技術(shù)。

第 3 步：以人為本的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

以人為本的設(shè)計(jì)

以人為本的設(shè)計(jì)一直是可持續(xù)性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。然而，最近，該框架在主流工程中的采用有所增加。該過(guò)程需要一個(gè)產(chǎn)品被采用，它必須是三個(gè)方面的組合（改編自 E4C）：

用戶意愿
技術(shù)可行性
商業(yè)可行性

通過(guò)將這些方面應(yīng)用于產(chǎn)品，客戶采用率更高。設(shè)計(jì)框架還結(jié)合了人體工程學(xué)和人體測(cè)量學(xué)。當(dāng)設(shè)計(jì)師需要以人為本的設(shè)計(jì)方法時(shí)，會(huì)收集以下類型的數(shù)據(jù)：

主要：?jiǎn)柧碚{(diào)查、焦點(diǎn)小組等。

次要：人體工程學(xué)和人體測(cè)量學(xué)

第 4 步：了解以人為本設(shè)計(jì)的重要性

在這個(gè)項(xiàng)目中，以人為本的設(shè)計(jì)方法一直是我在這個(gè)項(xiàng)目中必須考慮的最重要的考慮因素之一。在生產(chǎn)解決發(fā)展中國(guó)家目標(biāo)問(wèn)題的產(chǎn)品時(shí)，以人為中心的設(shè)計(jì)方法可確保提供經(jīng)過(guò)深思熟慮和現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)，可廣泛采用。

第 5 步：設(shè)計(jì)思維導(dǎo)論

設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維是設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一部分，它允許用戶理解并幫助創(chuàng)新。步驟是：

移情：情境研究和理解用戶需求
定義：項(xiàng)目約束和問(wèn)題發(fā)展
Ideate : 解決方案集思廣益和開(kāi)發(fā)
原型：CAD或建模
測(cè)試：模擬

第 6 步：情境研究

上下文概述

在研究您選擇的問(wèn)題和問(wèn)題時(shí)，重要的是要考慮您的目標(biāo)市場(chǎng)。在許多不同的國(guó)家，這個(gè)問(wèn)題可能對(duì)人們產(chǎn)生不同的影響。考慮一系列因素很重要。對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，我的目標(biāo)市場(chǎng)是：“兒童直到老年人，他們需要一個(gè)有效的解決方案來(lái)與常見(jiàn)的交互對(duì)象進(jìn)行交互，包括但不限于：手柄、旋鈕、觸摸屏、按鈕。它們需要價(jià)格實(shí)惠、實(shí)用且美觀的產(chǎn)品，且外形小巧，便于攜帶?！?/font>

現(xiàn)在考慮目標(biāo)市場(chǎng)，為了最大化產(chǎn)品交互，必須考慮以下因素：

人體測(cè)量學(xué)：人類數(shù)據(jù)的測(cè)量，在這種情況下，手測(cè)量是最合適的
人體工程學(xué)：產(chǎn)品的人類使用優(yōu)化
刺激方式：使用產(chǎn)品時(shí)增強(qiáng)的感官，在這種情況下，機(jī)械感受是最重要的。研究表明，多感官設(shè)計(jì)（當(dāng)多感官交互時(shí)）可以提供更好的可用性和滿意度。

第 7 步：數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)采集

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我收集了一些數(shù)據(jù)以更好地了解我的用戶。在這種情況下，我使用了問(wèn)卷并發(fā)布到論壇上。數(shù)據(jù)收集是通知您的設(shè)計(jì)的重要過(guò)程，應(yīng)始終公正地進(jìn)行。分層抽樣是確定多組需求的一種方法，同時(shí)提供比隨機(jī)抽樣更高的精度，并且需要更少的參與者。

第 8 步：制定設(shè)計(jì)規(guī)范

設(shè)計(jì)規(guī)范和簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)規(guī)范允許簡(jiǎn)單的約束，為產(chǎn)品提供指導(dǎo)。一個(gè)好的規(guī)范將有 5 個(gè)必須點(diǎn)、4 個(gè)應(yīng)該點(diǎn)和 3 個(gè)可以點(diǎn)。以下是設(shè)計(jì)規(guī)范的指南列表：

規(guī)范點(diǎn)是可行的
規(guī)格點(diǎn)是可測(cè)量的
規(guī)格點(diǎn)非常具體
規(guī)格點(diǎn)基于研究和數(shù)據(jù)

第 9 步：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)要概述了您將解決的問(wèn)題，并且應(yīng)該/包含：

預(yù)定義的問(wèn)題
目標(biāo)市場(chǎng)
產(chǎn)品環(huán)境/使用地點(diǎn)

重要的是，在考慮生產(chǎn)產(chǎn)品之前完成此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，否則稍后會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)固定和設(shè)計(jì)不佳等問(wèn)題。同樣重要的是，您的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介不要過(guò)于雄心勃勃。

第 10 步：產(chǎn)品概念

概念

完成所有設(shè)計(jì)約束和整體數(shù)據(jù)后，下一階段是設(shè)計(jì)概念。藍(lán)天思維是在根據(jù)預(yù)定因素將想法提煉成概念之前進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的有效方式。我創(chuàng)建并勾勒出 3 個(gè)概念，每個(gè)概念都有一個(gè)小概述。

第 11 步：評(píng)估概念

決策矩陣

概念設(shè)計(jì)的評(píng)估過(guò)程是您項(xiàng)目的重要組成部分，最好的分析方法之一是基于設(shè)計(jì)規(guī)范，使用決策矩陣。決策矩陣以數(shù)字方式比較每個(gè)想法的規(guī)范點(diǎn)（通常為 5 個(gè)），并且通常根據(jù)相關(guān)重要性進(jìn)行加權(quán)。然后對(duì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行總計(jì)，應(yīng)選擇得分最高的設(shè)計(jì)。我已經(jīng)發(fā)布了一個(gè)示例（不適用于該項(xiàng)目），它表明了一個(gè)基本的決策矩陣。

第 2 部分：使用 CAD 軟件創(chuàng)建設(shè)計(jì)

第 12 步：在 Fusion 360 中繪制草圖

選擇我的設(shè)計(jì)后，接下來(lái)的步驟是使用 CAD 軟件創(chuàng)建我的模型。我是 Fusion 360 的新手，但由于更多人可以訪問(wèn)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(nèi)徑的旋鈕尺寸數(shù)據(jù)創(chuàng)建設(shè)計(jì)的基本輪廓。

對(duì)于握把圖案，我使用了矩形圖案。對(duì)于切口切口，我使用圓形圖案來(lái)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(shí)到設(shè)計(jì)需要稍微大一點(diǎn)后，我決定添加 1.2 的比例以更好地調(diào)整設(shè)計(jì)以適應(yīng)預(yù)期用途。

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1 / 3 ? Fusion 360 圖像：草圖

第 13 步：添加手指握點(diǎn)

為了更符合人體工程學(xué)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(fā)現(xiàn)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(chuàng)建一條鏡像線
添加一個(gè)圓圈并使用智能尺寸工具相應(yīng)地調(diào)整其大小（15mm）。
使用矩形圖案特征將三個(gè)孔分開(kāi)，從而確保最后一個(gè)不會(huì)太靠近彎曲區(qū)域。
將圖案鏡像到另一側(cè)并擠出切割整個(gè)身體
添加圓角以降低切割的銳度

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1 / 3 ?添加手指握持

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第 3 部分：生命周期分析（可選）

為確保產(chǎn)品可持續(xù)使用，使用 LCA（生命周期分析）來(lái)確定某些產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的影響。從搖籃到大門是 LCA 的一種常用方法，它融合了各個(gè)方面

第 14 步：使用可持續(xù)思維設(shè)置 LCA

設(shè)置功能單元并添加系統(tǒng)邊界和產(chǎn)品系統(tǒng)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，功能單元將在一年之后創(chuàng)建一個(gè)參考概念。

第 15 步：添加 SBOM 數(shù)據(jù)

對(duì)于我的初始設(shè)計(jì)，F(xiàn)usion 360 估計(jì)將使用約 75g 的 PLA。我將制造設(shè)置為擠壓，在垃圾填埋場(chǎng)結(jié)束生命，從打印機(jī)到用戶有一些旅行。您可以在項(xiàng)目的“編碼”部分下載 tsv SBOM 文件。

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SBOM 數(shù)據(jù)由可持續(xù)思維 LCA 軟件提供

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第 16 步：使用更新的設(shè)計(jì)重復(fù)這些步驟并進(jìn)行比較

我改變了設(shè)計(jì)的尺寸并減少了 Fusion 360 中的質(zhì)量部分。結(jié)果顯示，由于質(zhì)量的減少，改進(jìn)了 100%。

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LCA 比較由可持續(xù)思維 LCA 軟件提供

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數(shù)據(jù)由可持續(xù)思維 LCA 軟件提供

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第 4 節(jié)：有限元分析

在開(kāi)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(huì)表現(xiàn)出各向異性

第 17 步：應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)細(xì)化

在我們繼續(xù)減少質(zhì)量之前，重要的是我們移除任何結(jié)構(gòu)不良且容易斷裂的區(qū)域。最好的方法是應(yīng)力分析。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將使用靜態(tài)應(yīng)力分析。

首先將物理材料添加到您的模型中。這可以通過(guò)導(dǎo)航項(xiàng)目樹(shù)、右鍵單擊主體并選擇物理材料部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們可以使用聚苯乙烯（由于性質(zhì)相似），但建議您使用自定義數(shù)據(jù)表為您的燈絲創(chuàng)建自己的材料。

導(dǎo)航到模擬選項(xiàng)卡并選擇靜態(tài)應(yīng)力分析。首先將力添加為結(jié)構(gòu)載荷。記住要想象力的來(lái)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(gè)向量，所以大小和方向很重要

添加約束，考慮設(shè)計(jì)的哪些部分在施加力時(shí)不應(yīng)移動(dòng)。我決定對(duì)外部曲線施加約束。

解決您的整體設(shè)計(jì)，看看您設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)。在上圖中，您可以看到我設(shè)計(jì)的早期迭代，設(shè)計(jì)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(cè)試了內(nèi)部應(yīng)力，以確保在較大直徑上滑動(dòng)時(shí)不會(huì)損壞設(shè)計(jì)。

第 18 步：Fusion 360 上的形狀優(yōu)化

（右）圖片由 ANSYS, Inc. 提供，使用 ANSYS Mechanical 2020 R1 創(chuàng)建

這是質(zhì)量減少的第一部分，將與 ANSYS 軟件結(jié)合使用。

創(chuàng)建新的模擬選擇形狀優(yōu)化后，請(qǐng)注意這不能在本地完成，將使用云積分！
重復(fù)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(yōu)化的可靠性。
求解后，使用滑塊確定所需材料并推動(dòng)網(wǎng)格。然后將網(wǎng)格導(dǎo)出為 an.obj（用于 ansys）和 a.stl 用于切片
返回原始設(shè)計(jì)并將文件導(dǎo)出為iges或step文件（step更容易）