建模软件及3D打印机运用
1、 引言
1.1 选题背景
青年儿童是祖国的未来和希望，所以儿童健康成长一直以来都是社会非常关心的问题。有一样东西伴随着每个儿童的成长，那就是玩具。然而随着时代和社会的进步儿童的玩具也在跟着变化。由七八十年代的木枪木剑到现在的各种电子遥控玩具可谓是日新月异层出不穷。与此同时随着网络的普及青少年儿童也从很小的时候就开始接触到了网络，有些甚至沉迷其中。根据调查显示截至2012年12月，我国青少年网民规模达到2.35亿，其中6-11岁年龄段青少年占比例为7.8%。而且随着网络更加的普及和便捷，这个数据还会在继续增加。网络和电子操控玩具等快速发展直接导致的结果就是传统玩具市场收到巨大的冲击。然而不可否认的是传统玩具对于少年儿童的动手能力的开发更有益一些。传统玩具的弊端就是单调枯燥不能吸引儿童的兴趣。所以对传统玩具的改革创新有着很现实和实际的效益和作用。
1.2 研究目标和意义
本课题的研究目标是把传统的平面拼图玩具结合网络小游戏改革成立体的拼图玩具，并结合机电检测结构，在完成拼图的时候能自动检测拼图的正确性，与此同时利用一些电子机构增加立体拼图的美观和可玩性。以达到对传统玩具的改革和创新。
本课题的意义在于，它能够很好的吸引少年儿童的注意力，拼图游戏本身就是益智型玩具，改革为三维立体拼图玩具后，它的难度和可玩性得到了很大程度的提高，所以对儿童脑力的开发和动手能力的增强有着显著的增强。而且这个项目存在着很大的市场经济潜力。因为是创新产品，所以在市场上是空缺也是冷门,因此第一个推出的总是能获得最大的经济效益。而且这个项目的实施和推进有助于传统玩具市场的一场改革和发展。此项目的研究和发展不经可以获得巨大的经济回报，而且还能够引发人们的思考，对传统玩具的思考改进创新，引发创新改革浪潮。
1.3 研究的主要内容
该课题主要包涵四个研究方面。建模软件及和3D打印机，玩具设计基本材料和安全性，机电检测线路设计和拼图主体和外壳设计。
1、机电检测线路设计
很多电子元件都可以用来设计成电子检测路线。该设计项目中主要包涵两条机电检测结构。第一条是安装在底座上的由常开电磁干簧管、高强度二极管、电池和开关等组成的检测线路。控制电磁干簧管工作的永磁铁安装在拼块底部。第二条检测路线是由侧光光纤、光敏电阻、单片机识别器和指示灯等组成的检测线路。光纤穿插在拼块内部，光敏电阻、单片机识别器和指示灯等安装在底座盒子上。
2、立体拼图主体结构设计
主要研究内容是，拼块内部结构设计，拼块形状尺寸，尺寸偏差等方面。这些主要运用的到的是机械设计的知识。同时还需要选择合适的三维绘图软件，进行建模等。更具所学内容，选择了SolidWorks绘图建模软件。因为该设计的最终目标是设计出一款立体拼图玩具，所以需要对玩具的基本安全要求和材料选用知识有着一定的研究。
3、3D打印机
该设计课题需要作出实体模型，因此需要把三维虚拟模型变成实体模型，所以需要运用3D打印机。因此对3D打印机需要有一定的研究了解，而且对打印材料需要进行严格的筛选和控制，以达到预期的效果。
2、 立体拼图玩具设计原则
立体拼图设计属于玩具设计，所以设计的基本原则应该参照玩具结构设计的安全性原则和选用材料原则等。
2.1玩具结构设计安全性原则
玩具的核心安全问题主要有：小物体、尖点、利边、硬质凸体等，而核心的检测是合理性破坏测试。本设计中主要包含到的安全问题有尖点和利边。因为本设计的拼图图块是正方体形状的，所以存在着一定的尖点和利边。国际上对利边的定义是：被测试的边以大于90°以外的任意角度在1.35lb（6N）的作用下与测试材料相抵触，在测试材料转动的情况下测试薄膜破裂，则此边为利边。关于尖角的定义：被测试尖点如通过了0.04in×0.045in（0.8mm×1.2mm）的方孔并进入0.015in（0.4mm）长并且能使得在0.5lb力的作用下使测试面后移0.05in（1in=0.0245m）长，则被定义为尖点。因为本设计的拼块为正方体，并且拼图精度要求较高，所以不可避免的存在这尖角和利边，所以在实际生产应用中在尖角和利边处应该选择使用柔软的胶体材料，把潜在危险性降到最低。外盒为长方体形，所以也存在着尖角和利边问题，但是因为外围不影响玩具功能，所以利边和尖角都进行了导角处理，排除潜在危险。设计样品是利用3D打印机打印成型，所以尖角和利边问题没有处理。
2.2 玩具生产选材原则
因为本设计生产材料主要为塑料，所以在此只讨论塑料玩具材料选择。塑料玩具材料有很多种，而且很多材料都是可以好几种塑料材料混合使用。在此简单介绍一些常用材料。
1 聚苯乙烯（PS）
聚苯乙烯（PS或GPPS）即俗称之“硬胶”，属于非结晶性塑料，极性化合物，主要性能为： 透明、良好光泽、容易着色；溶于有机溶剂，便于喷油漆；成型收缩率、尺寸稳定性好；质脆不耐冲击，表面易擦花，胶件包装要求高；耐酸性差。
2 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚合物（ABS）
主要特性：ABS具有良好的电镀性能，塑料材料中电镀性能最强；因组分中丁二烯的作用，ABS较GPPS冲击强度更高；ABS原料浅黄色不透明，制品表面光泽度好；ABS收缩率小，尺寸稳定性良好；材料共混性能较好，如ABS+PVC可提高韧性、耐热性以及抗老化能力，ABS+PC可提高冲击强度、耐热性。
3 聚乙烯（PE）
主要性能：聚乙烯分高密度（HDPE）和低密度（LDPE）两种，随着密度增高，透明度减低；聚乙烯为半透明粒子，胶件外观呈乳白色；聚乙烯的柔软性、抗冲击性、延伸性和耐磨性、低温韧性好；常温下不溶于任何溶剂，化学性能稳定；另一方面PE难以粘接；机械强度不高，热变形温度低，表面易划伤；聚乙烯用于吹塑制品；收缩率大，2%～2.5%。玩具制品一般比较小，以2%作基准。
常用塑料材料还有：聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。本设计在实际生产的过程中的选材选择需要进行具体实验选择，选择合适的塑料材料。
3、建模软件的选择和介绍及3D打印机运用
3.1 建模软件的选择和介绍
3.1.1 三维模型建模软件的选择
随着计算机技术的快速发展，三维实体建模软件也是越来越多。如ProE、SolidWorks、UG等等。根据设计要求选择了SolidWorks建模软件。SolidWorks是由美国SolidWorks公司开发的基于Windows平台的大型CAD/CAM/CAE集成软件。它易学易用，功能强大，有全面的实体建模功能，可以快捷地生成完整的工程图样，其组件还有计算机辅助数据编程、有限元分析等功能。
3.2.2 SolidWorks软件简介
在目前市场上所见到的的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同windows资源管理器类似的CAD文件管理器。特征模板为标准件和标准特征提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件涉及、装配设计和工程图。配置管理使得使用者能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。
SolidWorks的协同工作能力很强。通过eDrawings方便地共享CAD文件 。eDrawings是一种极度压缩的、可以通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。在SolidWorks 中，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。
1.1 选题背景
青年儿童是祖国的未来和希望，所以儿童健康成长一直以来都是社会非常关心的问题。有一样东西伴随着每个儿童的成长，那就是玩具。然而随着时代和社会的进步儿童的玩具也在跟着变化。由七八十年代的木枪木剑到现在的各种电子遥控玩具可谓是日新月异层出不穷。与此同时随着网络的普及青少年儿童也从很小的时候就开始接触到了网络，有些甚至沉迷其中。根据调查显示截至2012年12月，我国青少年网民规模达到2.35亿，其中6-11岁年龄段青少年占比例为7.8%。而且随着网络更加的普及和便捷，这个数据还会在继续增加。网络和电子操控玩具等快速发展直接导致的结果就是传统玩具市场收到巨大的冲击。然而不可否认的是传统玩具对于少年儿童的动手能力的开发更有益一些。传统玩具的弊端就是单调枯燥不能吸引儿童的兴趣。所以对传统玩具的改革创新有着很现实和实际的效益和作用。
1.2 研究目标和意义
本课题的研究目标是把传统的平面拼图玩具结合网络小游戏改革成立体的拼图玩具，并结合机电检测结构，在完成拼图的时候能自动检测拼图的正确性，与此同时利用一些电子机构增加立体拼图的美观和可玩性。以达到对传统玩具的改革和创新。
本课题的意义在于，它能够很好的吸引少年儿童的注意力，拼图游戏本身就是益智型玩具，改革为三维立体拼图玩具后，它的难度和可玩性得到了很大程度的提高，所以对儿童脑力的开发和动手能力的增强有着显著的增强。而且这个项目存在着很大的市场经济潜力。因为是创新产品，所以在市场上是空缺也是冷门,因此第一个推出的总是能获得最大的经济效益。而且这个项目的实施和推进有助于传统玩具市场的一场改革和发展。此项目的研究和发展不经可以获得巨大的经济回报，而且还能够引发人们的思考，对传统玩具的思考改进创新，引发创新改革浪潮。
1.3 研究的主要内容
该课题主要包涵四个研究方面。建模软件及和3D打印机，玩具设计基本材料和安全性，机电检测线路设计和拼图主体和外壳设计。
1、机电检测线路设计
很多电子元件都可以用来设计成电子检测路线。该设计项目中主要包涵两条机电检测结构。第一条是安装在底座上的由常开电磁干簧管、高强度二极管、电池和开关等组成的检测线路。控制电磁干簧管工作的永磁铁安装在拼块底部。第二条检测路线是由侧光光纤、光敏电阻、单片机识别器和指示灯等组成的检测线路。光纤穿插在拼块内部，光敏电阻、单片机识别器和指示灯等安装在底座盒子上。
2、立体拼图主体结构设计
主要研究内容是，拼块内部结构设计，拼块形状尺寸，尺寸偏差等方面。这些主要运用的到的是机械设计的知识。同时还需要选择合适的三维绘图软件，进行建模等。更具所学内容，选择了SolidWorks绘图建模软件。因为该设计的最终目标是设计出一款立体拼图玩具，所以需要对玩具的基本安全要求和材料选用知识有着一定的研究。
3、3D打印机
该设计课题需要作出实体模型，因此需要把三维虚拟模型变成实体模型，所以需要运用3D打印机。因此对3D打印机需要有一定的研究了解，而且对打印材料需要进行严格的筛选和控制，以达到预期的效果。
2、 立体拼图玩具设计原则
立体拼图设计属于玩具设计，所以设计的基本原则应该参照玩具结构设计的安全性原则和选用材料原则等。
2.1玩具结构设计安全性原则
玩具的核心安全问题主要有：小物体、尖点、利边、硬质凸体等，而核心的检测是合理性破坏测试。本设计中主要包含到的安全问题有尖点和利边。因为本设计的拼图图块是正方体形状的，所以存在着一定的尖点和利边。国际上对利边的定义是：被测试的边以大于90°以外的任意角度在1.35lb（6N）的作用下与测试材料相抵触，在测试材料转动的情况下测试薄膜破裂，则此边为利边。关于尖角的定义：被测试尖点如通过了0.04in×0.045in（0.8mm×1.2mm）的方孔并进入0.015in（0.4mm）长并且能使得在0.5lb力的作用下使测试面后移0.05in（1in=0.0245m）长，则被定义为尖点。因为本设计的拼块为正方体，并且拼图精度要求较高，所以不可避免的存在这尖角和利边，所以在实际生产应用中在尖角和利边处应该选择使用柔软的胶体材料，把潜在危险性降到最低。外盒为长方体形，所以也存在着尖角和利边问题，但是因为外围不影响玩具功能，所以利边和尖角都进行了导角处理，排除潜在危险。设计样品是利用3D打印机打印成型，所以尖角和利边问题没有处理。
2.2 玩具生产选材原则
因为本设计生产材料主要为塑料，所以在此只讨论塑料玩具材料选择。塑料玩具材料有很多种，而且很多材料都是可以好几种塑料材料混合使用。在此简单介绍一些常用材料。
1 聚苯乙烯（PS）
聚苯乙烯（PS或GPPS）即俗称之“硬胶”，属于非结晶性塑料，极性化合物，主要性能为： 透明、良好光泽、容易着色；溶于有机溶剂，便于喷油漆；成型收缩率、尺寸稳定性好；质脆不耐冲击，表面易擦花，胶件包装要求高；耐酸性差。
2 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚合物（ABS）
主要特性：ABS具有良好的电镀性能，塑料材料中电镀性能最强；因组分中丁二烯的作用，ABS较GPPS冲击强度更高；ABS原料浅黄色不透明，制品表面光泽度好；ABS收缩率小，尺寸稳定性良好；材料共混性能较好，如ABS+PVC可提高韧性、耐热性以及抗老化能力，ABS+PC可提高冲击强度、耐热性。
3 聚乙烯（PE）
主要性能：聚乙烯分高密度（HDPE）和低密度（LDPE）两种，随着密度增高，透明度减低；聚乙烯为半透明粒子，胶件外观呈乳白色；聚乙烯的柔软性、抗冲击性、延伸性和耐磨性、低温韧性好；常温下不溶于任何溶剂，化学性能稳定；另一方面PE难以粘接；机械强度不高，热变形温度低，表面易划伤；聚乙烯用于吹塑制品；收缩率大，2%～2.5%。玩具制品一般比较小，以2%作基准。
常用塑料材料还有：聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。本设计在实际生产的过程中的选材选择需要进行具体实验选择，选择合适的塑料材料。
3、建模软件的选择和介绍及3D打印机运用
3.1 建模软件的选择和介绍
3.1.1 三维模型建模软件的选择
随着计算机技术的快速发展，三维实体建模软件也是越来越多。如ProE、SolidWorks、UG等等。根据设计要求选择了SolidWorks建模软件。SolidWorks是由美国SolidWorks公司开发的基于Windows平台的大型CAD/CAM/CAE集成软件。它易学易用，功能强大，有全面的实体建模功能，可以快捷地生成完整的工程图样，其组件还有计算机辅助数据编程、有限元分析等功能。
3.2.2 SolidWorks软件简介
在目前市场上所见到的的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同windows资源管理器类似的CAD文件管理器。特征模板为标准件和标准特征提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件涉及、装配设计和工程图。配置管理使得使用者能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。
SolidWorks的协同工作能力很强。通过eDrawings方便地共享CAD文件 。eDrawings是一种极度压缩的、可以通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。在SolidWorks 中，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。
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