基于AHP-QFD-TRIZ的兒童創(chuàng)客3D打印機設(shè)計研究

摘要：在大力普及兒童智力開發(fā)，積極推進(jìn)兒童創(chuàng)新創(chuàng)造與實踐的政策背景下，為提升其創(chuàng)新創(chuàng)造能力、解決兒童的實踐需求，以AHP-QFD-TRIZ為理論基礎(chǔ)，對兒童創(chuàng)客的需求進(jìn)行研究，并進(jìn)行設(shè)計實踐。通過對兒童創(chuàng)客的深度訪談來了解其用戶群體的實際需求；運用AHP層次分析法建立用戶需求模型，并對需求進(jìn)行打分和權(quán)重計算，獲取用戶需求權(quán)重排序；基于QFD質(zhì)量功能配置理論，將所得權(quán)重導(dǎo)入質(zhì)量屋模型，得出產(chǎn)品需求特性的具體權(quán)重比，并確定主要設(shè)計矛盾；最后運用TRIZ理論針對上述矛盾進(jìn)行分析，選擇最優(yōu)發(fā)明原理對其問題進(jìn)行解決，驗證方法可行性。將AHP-QFD-TRIZ理論模型集成應(yīng)用，可獲取準(zhǔn)確的用戶需求，并轉(zhuǎn)化為質(zhì)量特征及重要度排序，最終設(shè)計出一款符合兒童創(chuàng)客群體使用的3D打印機產(chǎn)品；從用戶行為習(xí)慣和需求出發(fā)，為未來的兒童3D打印機產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)提供新的研究思路。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客；兒童3D打印機；AHP；QFD；TRIZ；產(chǎn)品設(shè)計

中圖分類號：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2025）11-0046-06

引言

當(dāng)前，我國正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和教育改革的關(guān)鍵階段，從“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略到“中國制造2025”，時代對創(chuàng)新的重視是顯而易見的。而創(chuàng)客運動所包含的“創(chuàng)造、創(chuàng)新、自發(fā)、實踐、開發(fā)、協(xié)作、興趣、探究”等核心精神，就很好地契合了這種時代精神，它是當(dāng)代創(chuàng)新文化的重要組成部分，推動了技術(shù)進(jìn)步、社會變革和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3D打印機作為創(chuàng)客群體最頻繁使用的工具之一，也逐漸成為啟發(fā)孩子們創(chuàng)造力和解決問題能力的重要工具。3D打印技術(shù)以其獨特的魅力，為孩子們提供了一個將想象變?yōu)楝F(xiàn)實的平臺，讓他們在動手操作中學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)（STEAM）知識，同時也培養(yǎng)了他們的空間想象力、創(chuàng)新思維和實踐能力。隨著3D打印技術(shù)的普及，越來越多的家庭和教育機構(gòu)開始引入這一技術(shù)，讓孩子們從小接觸并掌握這項前沿技術(shù)。以2015年李強總理訪問深圳柴火空間為標(biāo)志，我國的創(chuàng)客教育進(jìn)入飛速發(fā)展期，各級政府大力支持和引導(dǎo)創(chuàng)客活動，并針對青少年和兒童開發(fā)與推廣創(chuàng)客課程，設(shè)置了創(chuàng)客實驗室，并配備了3D打印設(shè)備，這使3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用被不斷擴大。

2017年教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》中，就明確鼓勵并指出了兒童需要多使用3D打印機這種工具。3D打印機不僅僅是一臺機器，更是一把開啟創(chuàng)新創(chuàng)造世界的鑰匙，讓孩子們在創(chuàng)造中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中創(chuàng)造。鼓勵孩子們通過3D打印技術(shù)，將自己的創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)化為實體模型，無論是玩具、工具或是藝術(shù)品，都能從他們的手中誕生。2019年，中共中央、中國國務(wù)院聯(lián)合印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》明確指出，要“加強創(chuàng)新人才特別是拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，加大應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)比重”[1]。這為3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供了政策支持。本論文旨在通過科學(xué)有效的研究方法，深入分析兒童創(chuàng)客用戶的真實需求，設(shè)計出一款操作簡捷、富有娛樂性和教育性的兒童3D打印機，滿足用戶的心理預(yù)期，為兒童創(chuàng)客們提供更加舒適的操作體驗，也為創(chuàng)新教育的進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)新的理論和實踐支持。

一、兒童創(chuàng)客3D打印機發(fā)展現(xiàn)狀

（一）兒童創(chuàng)客與3D打印技術(shù)

創(chuàng)客，或稱為“創(chuàng)客運動”的一部分，是一群熱衷于創(chuàng)造和創(chuàng)新的個人，他們利用各種工具和技術(shù)來設(shè)計和制作新的產(chǎn)品或解決方案。而兒童創(chuàng)客群體，狹義上是指一群在兒童時期（6～12歲）就開始接觸創(chuàng)客文化和教育的孩子們，他們熱衷參與各種激發(fā)創(chuàng)造力和想象力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力的活動，包括創(chuàng)意制作、科學(xué)實驗、機器人編程等。

創(chuàng)客與3D打印技術(shù)之間的關(guān)系非常緊密。3D打印技術(shù)，為創(chuàng)客們提供了一個快速、靈活且成本效益高的方式來生產(chǎn)原型和小批量產(chǎn)品，這對于個人和小型企業(yè)來說尤其有價值。對于創(chuàng)客而言，3D打印技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于創(chuàng)意實現(xiàn)、快速原型制作、定制化產(chǎn)品、教育與培訓(xùn)、文化創(chuàng)新、快速迭代、開源共享和降低成本等方面。為創(chuàng)客提供了一個強大的平臺，使他們能夠?qū)?chuàng)意快速轉(zhuǎn)化為實體產(chǎn)品，從而推動了創(chuàng)新創(chuàng)造精神的發(fā)展。因此，3D打印機也是創(chuàng)客們常用的工具必備工具之一。

（二）兒童3D打印機發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研

2022年，我國消費級3D打印設(shè)備產(chǎn)銷分別為350.2和135.18萬臺，分別較2017年增長4.8、14.4倍。我國消費級3D打印機企業(yè)總體發(fā)展時間較短，主流制造技術(shù)路徑主要包括FDM（熔融沉積成型技術(shù)）、DLP（數(shù)字光處理固化）、LOM（分層實體制造）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）等，中國消費級3D打印機行業(yè)市場規(guī)模呈現(xiàn)出顯著增長趨勢。兒童3D打印機作為消費級3D打印機的一部分，在我國的發(fā)展起步較晚，隨著創(chuàng)客教育和STEAM教育的興起，為孩子們提供易于使用的3D打印工具變得越來越重要，兒童3D打印機的市場前景可觀。近年來，市面上出現(xiàn)了一系列優(yōu)秀的兒童3D打印機產(chǎn)品，如X-MAKER教育3D打印機、創(chuàng)想三維的CR-100兒童3D打印機等。同時，國內(nèi)市場也涌現(xiàn)了多個針對兒童的3D打印機品牌，如AOSEED、啟龐、創(chuàng)想三維、縱維立方、ELEGOO、WEEDO、kokoni等。但截至目前，中國市面上絕大多數(shù)兒童3D打印機產(chǎn)品，僅僅滿足兒童的基本需求，即基本的3D打印功能。而并未深入研究兒童的實際使用習(xí)慣和心理預(yù)期，多數(shù)產(chǎn)品根本不利于兒童使用與操作，因此廣被人詬病。例如，某些兒童3D打印機實際操作難度大，需要經(jīng)過長時間學(xué)習(xí)后才能使用；還存在操作流程繁瑣、外觀色彩冰冷、造型單一、玩法枯燥無味、安全性和交互界面不足等一系列問題。

二、集成AHP/QFD/TRIZ的兒童3D打印機創(chuàng)新設(shè)計流程

并以兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品為例，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計研究。本文以AHP/QFD/TRIZ理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了新的設(shè)計方法與流程，首先在設(shè)計的階段一，運用AHP層次分析法，對調(diào)研到的用戶需求進(jìn)行歸納并構(gòu)建判斷矩陣，當(dāng)計算用戶權(quán)重、并經(jīng)一致性檢驗通過后，便對用戶需求權(quán)重進(jìn)行排序。在階段二，將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計特征，并運用QFD理論構(gòu)建兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品質(zhì)量屋，得到產(chǎn)品特性權(quán)重排序與特性自相關(guān)矩陣；對得到的沖突進(jìn)行分類，運用TRIZ中的發(fā)明或分離原理進(jìn)行分析，獲得創(chuàng)新解[2]。兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品設(shè)計流程見圖1。

三、基于AHP-QFD-TRIZ的兒童創(chuàng)客3D打印機設(shè)計

（一）用戶需求數(shù)據(jù)收集與權(quán)重確定1.用戶需求層次

AHP（AnalyticHierarchyProcess）層次分析方法是一種用于多準(zhǔn)則決策的定量分析方法，確立決策目標(biāo)再構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，將決策目標(biāo)分解為具體的準(zhǔn)則和子準(zhǔn)則[3]，通過矩陣做特征值計算并進(jìn)行一致性檢驗，可得出每個層次的權(quán)重及排序，最終導(dǎo)出最優(yōu)方案。這里，我們通過邀請10名兒童創(chuàng)客用戶和

10名產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)工作者兩個

群體進(jìn)行問卷調(diào)研與訪談，且在與專業(yè)人員相互討論后，得到了用戶對兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品的相關(guān)需求。經(jīng)篩選與歸納后，結(jié)合AHP層次分析法對決策目標(biāo)進(jìn)行層級分析，將兒童創(chuàng)客3D打印機目標(biāo)層拆解為功能性需求、視覺性需求、安全性需求和經(jīng)濟(jì)性需求4個準(zhǔn)則層，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化得出需求層的16個需求指標(biāo)，如圖2。

2.權(quán)重計算與排序根據(jù)以上構(gòu)建的兒童創(chuàng)客3D打印機4個二級準(zhǔn)則層和16項三級用戶需求層創(chuàng)建兩兩判斷矩陣，以1～9分準(zhǔn)則標(biāo)度表為基礎(chǔ)進(jìn)行打分，完善準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層的判斷矩陣，并對此進(jìn)行一致性檢驗與權(quán)重計算，具體如下：

（1）構(gòu)建判斷矩陣

邀請4名產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的專家，對兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品準(zhǔn)則層B1—B4的具體需求進(jìn)行兩兩比較打分，構(gòu)建準(zhǔn)則層判斷矩陣，矩陣分?jǐn)?shù)取平均值且保留整數(shù)，具體見表1；

產(chǎn)品綜合質(zhì)量屋構(gòu)建完成后，通過質(zhì)量屋地板部分的產(chǎn)品特性得分和特性權(quán)重排名，可以得到兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品的設(shè)計特性優(yōu)先級排序，參考權(quán)重排序，可以讓我們在產(chǎn)品設(shè)計的開發(fā)過程中更加準(zhǔn)確高效。其排序結(jié)果前5為：產(chǎn)品易拆裝gt;材料溫和環(huán)保gt;個性化外觀gt;邊角圓潤光滑gt;交互方式。

（三）運用TRIZ理論解決設(shè)計沖突

1.矛盾分析

TRIZ（TheoryofInventiveProblemSolving）是一種創(chuàng)新理論和方法，常被用來幫助人們更有效地解決問題和克服技術(shù)難題，促進(jìn)系統(tǒng)性創(chuàng)新[7]。TRIZ理論將設(shè)計矛盾沖突分為物理矛盾和技術(shù)矛盾。物理矛盾主要采用分離原理解決問題，通過空間分離、時間分離、系統(tǒng)級別和條件分離等4種舉措解決矛盾沖突。而技術(shù)矛盾，則是從具有普遍用途的39個通用工程參數(shù)中提煉而出的。通過對上述質(zhì)量屋“屋頂”部分的構(gòu)建，可以得到兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品設(shè)計特性的自相關(guān)矩陣，獲取其中的3組矛盾沖突。將以上3組矛盾沖突與TRIZ理論中的矛盾類型相對應(yīng)，并選擇其所對應(yīng)的參數(shù)序號或分離原理，對照阿奇舒勒矛盾矩陣和TRIZ理論40條發(fā)明原理，給予矛盾沖突相對應(yīng)的發(fā)明原理，并選擇合適的發(fā)明原理為以下的設(shè)計實踐提供解決思路，如表5所示。

2.設(shè)計沖突的解決方案

通過對上述的3組矛盾沖突進(jìn)行深入分析，并選擇其中最合適的發(fā)明原理對沖突進(jìn)行解決，具體解決方案如下：

1.對操作流程簡潔和玩法多樣之間的矛盾

為改善打印機操作流程的方便性，不可避免地會減少打印機本可以擁有的趣味玩法，因此這是一對技術(shù)沖突。對此，我們采用17號發(fā)明原理—多維運作原理，將產(chǎn)品的操作層次分離。分為多玩法模式和簡單模式并行，并對打印成型的結(jié)果進(jìn)行模塊化和多樣化設(shè)置，確保在操作流程上簡潔明了，而在最終的打印成品上，即結(jié)果上增加玩法與趣味性，確保用戶的愉快體驗。

2.對堅固穩(wěn)定和產(chǎn)品易拆裝之間的矛盾

在這里我們可以采用２號原理——分離原理，將產(chǎn)品分為內(nèi)部穩(wěn)定和外部易拆裝兩個部分，并對主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，如采用箱體式結(jié)構(gòu)；對易拆裝部分進(jìn)行模塊化和動態(tài)設(shè)計，如模塊化磁吸或翻蓋式開合設(shè)計。3D打印機本就是一類有內(nèi)置空間的產(chǎn)品，產(chǎn)品的動態(tài)開合與易拆裝對此來說是不可或缺的，但過于容易拆卸會極大影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性。采取分離原理，既能夠保證產(chǎn)品總體堅固穩(wěn)定，又能夠兼顧產(chǎn)品的動態(tài)開合與拆裝，確保用戶的使用便捷。

3.對外觀個性化和比例和諧之間的矛盾

這里可以采用1號原理——分割原理，對造型中的個性化外觀部分與產(chǎn)品本身的和諧部分做分割處理，即產(chǎn)品的個性化外觀來自產(chǎn)品本身之外的附件部分。以機體本身的和諧比例為主，對其生成若干具有個性化外觀與模塊化的產(chǎn)品附件，既能夠保證產(chǎn)品總體比例和諧，又能讓用戶設(shè)置自己喜愛的個性化外觀，滿足用戶的心理需求。

四、兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品設(shè)計實踐

經(jīng)過上述AHP-QFD-TRIZ設(shè)計流程，結(jié)合用戶需求權(quán)重、產(chǎn)品特性優(yōu)先級和TRIZ發(fā)明原理，綜合考量用戶需求并整合設(shè)計元素，對兒童創(chuàng)客3D打印機產(chǎn)品的外觀與造型、功能與玩法、材質(zhì)與結(jié)構(gòu)等部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，導(dǎo)出設(shè)計方案Techkitten（科技貓）兒童創(chuàng)客3D打印機，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方案見圖4。

（一）產(chǎn)品外觀與造型設(shè)計

在外觀與造型部分，本產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計大體圍繞“整體造型”“外觀裝飾”“色彩選取”與“局部細(xì)節(jié)”4個方面展開。據(jù)上文的QFD與TRIZ分析可知，此部分設(shè)計的關(guān)鍵在于外觀個性化、邊角圓潤光滑、造型親和力、尺寸合理、色彩飽和度高、比例和諧等幾個重要的用戶需求和設(shè)計特性，其設(shè)計的具體細(xì)節(jié)和解決方案如下：

1.整體造型：產(chǎn)品的主體造型以簡潔的方體為主，尺寸為360×360×480mm，長寬高之比約為1：1：1.3，沒有異形部分與特殊局部結(jié)構(gòu)，外觀線條流暢，整體比例和諧且堅固穩(wěn)定，適用于書房、桌面及教室等環(huán)境。其邊角設(shè)計為大圓角，所有零部件均移除銳角銳邊，防止兒童意外磕碰產(chǎn)生的傷害，將兒童使用的危險性降到最低，符合上述AHP中的安全性需求與QFD中邊角圓潤光滑的產(chǎn)品特性，如圖4。

2.外觀裝飾：產(chǎn)品的外觀設(shè)計中引入了動物的造型元素，這種個性化造型裝飾不僅能提升產(chǎn)品的外觀吸引力、讓其在同類產(chǎn)品中突出，還能夠帶給兒童親切和溫暖的感覺，創(chuàng)造更為溫馨柔和的友好使用體驗。同時，這種個性化的自由裝扮配備了氛圍像素屏，體現(xiàn)了產(chǎn)品的科技感，可根據(jù)個人選擇進(jìn)行使用。產(chǎn)品配備了多個模塊裝扮配件，可根據(jù)兒童的喜好自由組合搭配，滿足兒童在外觀個性化方面的需求，見圖5右、圖7。

3.色彩選取：主要采用色彩飽和度較高的顏色進(jìn)行搭配，更能吸引兒童眼球，如朱紅、明黃、天藍(lán)、草綠等色彩，貼合孩子的內(nèi)心世界。局部的裝飾字體以及標(biāo)識（圖6左），用其他色彩或燈光加以點綴，體現(xiàn)產(chǎn)品細(xì)節(jié)的同時，使產(chǎn)品富有科技感，更加個性化。在產(chǎn)品表面處理上，打印機外殼可采用噴砂處理工藝，制造磨砂效果，使打印機外殼更具有質(zhì)感、增加外殼表面的摩擦力，見圖7。

4.局部細(xì)節(jié)：（圖5左）功能分區(qū)簡潔明了，手動操作區(qū)設(shè)計在產(chǎn)品頂部，設(shè)置有開關(guān)機按鍵、觸碰式操作屏幕、物理調(diào)節(jié)旋鈕，同時設(shè)置防塵翻蓋，便于兒童操作的同時，又保證了產(chǎn)品外觀的完整性。為便于兒童從打印艙中取出打印物，將窗口的右下側(cè)外邊沿處設(shè)計了明顯凹槽，使磁吸式艙門更容易開合，見圖7。在機身兩側(cè)上方處，設(shè)計了打印機提手凹槽，增加了打印機搬運時的手部著力點，體現(xiàn)了對用戶的人文關(guān)懷，見圖6左。

（二）產(chǎn)品功能與玩法設(shè)計

在功能與玩法上，創(chuàng)新設(shè)計主要圍繞“基本功能與模型數(shù)據(jù)庫”“兒童建模與模塊化輸出”“基于繪畫與AI模型生成的創(chuàng)新玩法”“趣味性的創(chuàng)新玩法”4個方面展開，如圖8。綜合上述理論的分析結(jié)果，可得出此部分的設(shè)計關(guān)鍵在于娛樂趣味、教育性、模塊化輸出、耗材成本、成型方式等幾個重要的用戶需求和設(shè)計特性，其產(chǎn)品的設(shè)計細(xì)節(jié)及詳細(xì)論述如下：

1.基本功能與模型數(shù)據(jù)庫：兒童3D打印機首要的功能就是打印功能，而打印功能與成型方式密不可分，成型方式的先進(jìn)與否影響著打印的準(zhǔn)確度，并且先進(jìn)的成型方式會不可避免加大兒童在操作過程中的難度，據(jù)上述圖3可知，用戶對打印準(zhǔn)確度并不是太過于在意，對此，在這里我們選擇更為基礎(chǔ)的FDM（熔融沉積成型技術(shù)）成型方式。相較于DLP、LOM、SLS等成型方式，F(xiàn)DM技術(shù)下所打印的模型雖然相對粗糙、層紋明顯，但在技術(shù)與耗材的成本上卻是最低的，并且實物處理操作簡單，模型硬度高、韌性適中。選擇FDM為本產(chǎn)品的主要成型方式，既能使打印的物品實用，又能在操作流程和模型處理上最簡，同時也解決了產(chǎn)品與耗材成本低的問題，使產(chǎn)品更加具有性價比。至于模型庫的配備，則是現(xiàn)今兒童3D打印機產(chǎn)品的標(biāo)配，使不會建模的低齡兒童直接選擇模型庫中的模型進(jìn)行打印，也能體驗到3D打印的樂趣，見圖8。

2.兒童建模與模塊化輸出：兒童可選擇一些基本形體進(jìn)行拼接與搭建，創(chuàng)造出自己想要的玩具模型，能極大鍛煉他們的想象力與創(chuàng)造力。在模塊化輸出方面，可有選擇性地對簡單模型進(jìn)行自動分割，并在模型零部件的連接處自動生成榫卯結(jié)構(gòu)，給予打印機更多娛樂化玩法，這可讓更低年齡段的兒童也能體驗實物打印和拼接的樂趣，從小培養(yǎng)他們的動手能力，具備一定的教育性和娛樂性需求。

3.基于繪畫與AI模型生成的創(chuàng)新玩法：基于AI的日益發(fā)展，可為兒童3D打印機接入AI功能，使兒童的繪畫作品由AI處理并自動生成相應(yīng)的三維模型，再由打印機輸出最終產(chǎn)物，進(jìn)一步增加打印機的玩法與趣味性，讓低齡兒童也能體驗到創(chuàng)新創(chuàng)造的樂趣，并使打印產(chǎn)物更加具有紀(jì)念意義，見圖8。

4.趣味性的創(chuàng)新玩法：綜合AI模型生成與模塊化輸出可得到一種兼顧趣味性和教育性的創(chuàng)新玩法，即二維繪畫與模型玩具拼接的混合玩法，見圖8。

（三）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材質(zhì)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)與材質(zhì)部分，本產(chǎn)品對比了市面上的同類型產(chǎn)品，將產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計從“主體結(jié)構(gòu)框架”“輔助滾筒設(shè)計”“產(chǎn)品主體材料”和“產(chǎn)品耗材選取”4個方面展開論述。對照上述圖3的產(chǎn)品綜合質(zhì)量屋，得出的設(shè)計關(guān)鍵點在于產(chǎn)品易拆裝、材料溫和環(huán)保、堅固穩(wěn)定、耗材環(huán)保、機身材料耐用等，而對于產(chǎn)品具體細(xì)節(jié)及設(shè)計矛盾沖突，則是參照上述TRIZ理論分析部分的設(shè)計沖突解決方案來深化論述，具體設(shè)計方案論述如下：

1.主體結(jié)構(gòu)框架：此3D打印機外部主要采用箱體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可使產(chǎn)品整體完整，并能承受一定的外部沖擊，保證內(nèi)部機械的運行穩(wěn)定。產(chǎn)品內(nèi)部的打印支撐框架采用龍門架結(jié)構(gòu)，這是FDM式打印機常使用的結(jié)構(gòu)，即打印頭在X軸與Z軸上移動，打印平臺（圖6右）沿Y軸前后移動，此結(jié)構(gòu)具有成本低、運動穩(wěn)定性好、便于維護(hù)、應(yīng)力釋放性好等優(yōu)點，見圖9。

2.輔助滾筒設(shè)計：為確保外觀流暢性，打印機的耗材輸送通道由傳統(tǒng)的頂部開口輸送改為背部開口輸送（圖4），這也能極大保證產(chǎn)品外觀設(shè)計的完整性，背部的開口相較于傳統(tǒng)的頂部開口，還能防止細(xì)小雜物或污漬從頂部墜入打印機內(nèi)，保證打印機不被外來物質(zhì)干擾運行。開口形狀為小貓頭部輪廓形，極大增加了產(chǎn)品的趣味性，提升了造型親和力。同時，為確保耗材的流暢輸入、不卡機，打印機背部輸送口內(nèi)設(shè)置有較長的輔助從動滾筒，可使線狀耗材流暢滑入熔融熱端，如圖10所示。

3.產(chǎn)品主體材料：殼體選用ABS塑料，其材質(zhì)具有較好的韌性和抗沖擊性，且性價比較高。內(nèi)部框架材質(zhì)選用鋁合金，其材質(zhì)加工性能好，質(zhì)量較輕的同時具有較好的強度和耐腐蝕性，方便搬運和移動，如圖9所示。

4.產(chǎn)品耗材選取：因打印機采用FDM的成型方式，在耗材上選擇PLA材質(zhì)，此材料為玉米淀粉或甘蔗等生物質(zhì)原料提取的乳酸聚合而成，屬于生物可降解材料，無味無毒，環(huán)保無污染，讓兒童使用更加安全，見圖9。

結(jié)論

本文通過綜合應(yīng)用層次分析法（AHP）、質(zhì)量功能展開（QFD）和發(fā)明問題解決理論（TRIZ）對兒童創(chuàng)客3D打印機進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計研究。研究首先利用AHP方法確定了影響兒童創(chuàng)客3D打印機設(shè)計的關(guān)鍵因素，包括安全性、功能性、視覺性和經(jīng)濟(jì)性等因素。隨后，通過QFD將這些客戶需求轉(zhuǎn)化為具體的技術(shù)要求，確保設(shè)計過程能夠精確地滿足目標(biāo)用戶群體的需求。在設(shè)計過程中遇到的具體問題，TRIZ理論提供了創(chuàng)新的解決方案，增強了設(shè)計的創(chuàng)新性和實用性。簡便和安全等方面均表現(xiàn)出色，能夠有效激發(fā)兒童的創(chuàng)造力和動手本研究設(shè)計的兒童創(chuàng)客3D打印機在外觀造型、功能玩法、操作能力，符合現(xiàn)代教育對于STEAM教育及創(chuàng)客教育理念的追求。此外，該設(shè)計在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的市場潛力，為兒童創(chuàng)客教育領(lǐng)域提供了新的工具和平臺。

盡管本研究在設(shè)計和理論上取得了一定的成果，但也存在一些局限性，如樣本量較小，未能涵蓋所有可能的用戶反饋。因此，未來的研究可以進(jìn)一步擴大樣本范圍，進(jìn)行更深入的用戶測試，以優(yōu)化設(shè)計。同時，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來的研究也可以探索新材料、新工藝在兒童創(chuàng)客3D打印機中的應(yīng)用，以實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的設(shè)計。綜上所述，本研究不僅為兒童創(chuàng)客3D打印機的設(shè)計提供了科學(xué)的方法和創(chuàng)新的解決方案，也為兒童創(chuàng)客教育的發(fā)展貢獻(xiàn)了新的思路和工具。隨著創(chuàng)客文化的普及和教育需求的增長，本研究的成果有望在教育和制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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