整合虛擬油泥技術的工業設計創新服務平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學斌

常州機電職業技術學院，江蘇常州，213164

整合虛擬油泥技術的工業設計創新服務平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學斌

常州機電職業技術學院，江蘇常州，213164

本文研究了一種整合虛擬油泥技術的工業設計創新服務平臺。首先對關鍵技術虛擬油泥進行技術分析，并介紹了FreeForm自由造型系統基本原理及操作；其次構想了一種創新服務平臺，對其技術接口、運行模式及軟硬件進行分析和研究；最后結合具體的案例分析，總結了這種服務平臺在工業設計領域的優勢。

工業設計；創新服務平臺；虛擬油泥；3D打印

1 前言

21世紀的制造業正面臨著越來越激烈的全球化市場競爭，新經濟和網絡信息時代的浪潮正沖擊著以產品為載體的企業生產經營活動。產品是一切制造企業生產經營活動的主體，新產品設計與開發是這一活動主體的源頭，因而產品現代設計方法及相應支持技術就受到制造企業的高度重視。這迫使激烈競爭中的制造企業竟相采用先進的技術手段來開發新產品，而新產品的開發又不斷地對開發技術的發展提出新的要求。

2 虛擬油泥技術與工業設計

油泥在工業設計領域中是為設計出高級曲面而產生的一種混合造型材料，應用于汽車與飛機等對曲面要求較高的行業，并在其他工業造型外觀領域中應用十分廣泛。然而隨著上世紀70年代后期計算機輔助設計在汽車造型領域的應用，虛擬油泥的概念隨之誕生。如今，以虛擬油泥為核心的造型系統已經廣泛的應用在奔馳、寶馬、大眾、迪士尼等多個知名公司中。虛擬油泥技術已越來越擴展到其他新產品開發設計領域。

2.1 虛擬油泥技術FreeForm

利用優化算法提取虛擬油泥模型表面三角形網格,該方法可以跳過模型的全空部分處于物體外部和全實部分處于物體內部,直接從位于物體邊界的體素中提取表面三角形網格,減少體素模型中材料檢查次數,計算速度得到了提高。

美國麻省理工大學以自己研發的力反饋觸覺技術結合虛擬油泥技術，由Sensable公司共同研發出一款適合工業造型的虛擬現實造型系統FreeForm。該系統具有以下優勢：（1）建模過程虛擬可觸，易于學習和掌握。（2）基于虛擬油泥的建模過程造型自由度極高，不同于3DmaxRhino等工業造型輔助軟件，模型為實體建模。（3）系統的輸入與輸出數據兼容性強，消除了設計師自由造型與生產工程技術之間的鴻溝。（4）具備CAM模塊，提供了拔模分析、抽殼及曲面檢測等工具，使得產品造型創新的阻礙大大減少。

2.2 虛擬油泥技術FreeForm在工業設計領域的應用

目前，虛擬油泥技術FreeForm系統已經應用于玩具、制鞋、首飾、電動工具等幾十個領域，此外，憑借優良的力反饋虛擬現實技術，此系統還應用于文物修復、虛擬手術等多項特殊技術領域。

圖1 虛擬油泥建模技術原理

虛擬油泥技術FreeForm系統的工業設計創意造型過程可分為正向與逆向兩類：

2.2.1 正向設計

圖2所示的是一個實際項目的產品開發過程，設計師將創意靈感草圖導入到FreeForm系統中，利用FreeForm提供了Curve（線編輯）、Planes（平面編輯）、Sketch(草繪)、Construct Clay(構建黏土)、Sculpt Clay（雕刻黏土）、Detail Clay（細化黏土）、Deform Clay(變形黏土)、Select/move Clay（選擇移動黏土）、Patches/ Solids（曲面建模）、Mold（模具）等工具模塊，制作出需要的模型。在完成好的虛擬油泥模型的基礎上，使用系統提供的Auto Surface（自動鋪面）工具，自動生成曲面文件，然后導出為STEP/IGES格式文件供下游制造。

2.2.2 逆向設計

利用已經掃描處理好的.stl三維數據，導入到整合虛擬油泥技術的工業設計創新服務平臺，可實現產品改良設計。如圖3所示，利用此方法的開發過程，相比傳統的RE，速度提高了一倍以上，產品創新程度高。

圖2 應用案例(3D打印筆項目)

圖3 平臺數據接口

3 整合虛擬油泥技術的創新平臺架構

各種高新技術的迅猛發展與推廣應用，雖然增加了新產品開發的投入和風險，但同時高技術含量的產品又給制造企業帶來了豐厚的回報。整合虛擬油泥技術的創新平臺服務平臺構想正是在這一戰略背景下產生。

3.1 平臺的技術框架

當今的產品更新換代速度大大加快，新產品研制周期大幅度縮短，各種新的產品設計方法和開發技術應運而生，以信息技術為核心的高新設計支持技術在產品創新設計中的大量應用，推動了設計、制造自動化技術的迅速發展，并在設計方法學、新產品開發流程再造與項目管理、全球化并行協同設計、敏捷化戰略聯盟、設計支持新技術、數字化虛擬樣機開發技術、仿真試驗與性能評估技術、逆向工程與快速原型制造等方面取得了重大進展。利用逆向工程技術，在完成制品CAD模型重構的基礎上，快速設計出制品的注塑模具。實踐證明，恰當的重構方法，可以獲得很高的重構模型精度，滿足新產品設計的需要。有效地縮短新產品的設計與制造周期，提高產品的競爭能力。

3.2 平臺的組織框架

以“協同創新”為核心觀點，旨在構建是以工業設計知識增值為核心，集成RP/RT/CAE技術的快速設計與快速制造技術，利用網絡化實現協同，企業、政府、知識生產機構（大學、研究機構）、中介機構和用戶等為了實現區域科技創新轉型而開展的大跨度整合的創新組織模式理論模型。

平臺以孵化創新為構架理念，將“學、政、企、行”通過工業設計創新平臺為紐帶，利用網絡協同創新和產品數據管理(PDM)信息技術將產品創新設計項目科學、高校的協調管理，最終通過成果交易平臺（o2o）第一時間對接社會資本，最大化培育優秀的創新產品。

圖4 平臺技術框架

圖5 平臺組織框架

4 優勢與不足

（1）整合虛擬油泥FreeForm技術的工業設計創新平臺實現了從創意→設計→實現→推廣的工業設計全流程服務功能，可以有效的整合創新產品市場需求。

（2）從技術實現的角度，平臺實現了從創意到生產的數據無縫對接，減少了在產品創新在開發迭代過程中的造型損失。

（3）以“平臺”為連接紐帶的“學、政、企、行”協同創新組織，可有效的增加新產品孵化成功率，提升創新成功率。

[1]羅聯社.面向工業設計的協同管理技術研究[J].機械科學與技術,2011(30).

[2]陳龍.基于FreeForm系統的玩偶設計開發[J]. 陜西:陜西科技大學學報(自然科學版),2010.

[3]陶燎亮.虛擬油泥技術Freeform在文物快速復原中的應用研究[J].天津:數字技術與應用,2016.

[4]陳鵬.基于RE/RP技術的產品快速設計與制造系統的研究[J].模具設計,2009(1).

[5]貢智兵. 基于產品平臺的快速設計關鍵技術研究及實現[D].南京:南京理工大學,2006.

[6]齊爾麥.機械產品快速設計原理_方法_關鍵技術和軟件工具研究[D].天津:天津大學,2003.

[7]李彥.產品創新設計理論及方法[M].北京:科學出版社,2012(3).

本文系課題：面向產品造型專業快速設計與制造創新平臺關鍵技術研究（07031417）。

陳龍/1984年生/陜西漢中人/碩士/講師/研究方向為數字建模技術應用、產品創新平臺、產品設計管理