消费电子产品是指供消费者日常生活使用的电子产品，组成一般包括外壳、连接件(螺丝、铰链等)、人机交互(液晶屏、按键、开关等)、电子电路模块。目前，智能手机、充电宝、小音响等便携式现代消费电子产品深受人们喜爱，产品外壳一般均采用塑料材料。机械产品设计包括自底向上及自顶向下两种方法。自底向上设计方法是传统的设计方法，研发人员首先针对产品的零件单独建模设计，完成后再逐一装配为产品，该方法适用设计的产品一般具备结构稳定、甚少修改或者产品结构简单的特点。一旦产品需要更改结构，则需要工程师花费大量的时间及精力进行每个零件的更改甚至重新设计。
新产品开发一般需要手板模型的验证，手板模型是指新产品开发中根据产品技术图纸生产的少数样品，用来检查外观、结构、强度等合理性的功能样板。产品手板模型的制造，传统方法是使用机床加工或者人工手板制作等方法完成，制作周期长。随着社会的发展，客户的需求出现了多样化甚至个性化特点，尤其是消费电子产品，产品更新换代速度及周期越来越快，对研发生产厂家的要求也越来越高，因此采用传统的设计及手板模型制作方法已经不能满足要求。
本文针对上述问题，研究采用自顶向下的设计方法，从全局掌控产品的整体设计，再逐渐分解、传递到各个零件的设计；建立ABS材料桌面型3D打印中常用的三种工艺模式参数表，应用3D打印技术实现新产品手板模型的快速制造，满足新产品尤其是消费电子产品的高质量、高速度设计及模型制造要求。
1 自顶向下设计原理
自顶向下设计的本质是“分解”，将复杂问题逐步分解为相对简单的小问题，然后分别针对小问题进行解决，自顶向下设计广泛应用于工程领域，如计算机算法领域、机械产品设计领域等。在机械产品设计领域，自顶向下设计首先进行产品的整体框架设计，获得产品的主要装配、结构数据，然后将数据进行共享，传递给每个零件进行详细设计，完成了所有零件的结构设计后，整个产品的装配即同时完成。当前，主流的机械三维CAD软件如NX、Creo、SolidWorks均提供了自顶向下设计工具，本文基于Creo工具研究自顶向下设计方法的技术实现。
1.1 自顶向下设计方法的特点
(1)结构清晰
自顶向下设计是基于装配模型的设计，从顶层的整体框架结构出发，零件的详细设计都依赖于最初的装配模型，零件的结构、定位、装配全部由整体装配模型控制，避免了自底向上设计中产品装配中易出现的干涉、不完全约束等问题。
(2)并行开发
产品关键信息和数据实现了自上而下的传递和共享，在复杂产品的设计中，可实现团队成员的并行设计，提高了效率，同时具备数据可追溯的特点，产品数据管理方便可靠。
使用Creo工具的自顶向下设计中，骨架模型设计法和主控模型设计法是当前的主流技术方法。
1.2 骨架模型设计法原理
骨架模型是一种特殊零件模型，是装配文件中的一个元件，用来控制装配的关键数据信息，包括装配定位、主要结构尺寸。骨架模型分为标准骨架、运动骨架和主体骨架三种类型，根据具体情况进行创建。根据产品复杂情况，可以分层创建骨架模型，首先创建顶层骨架模型，再创建承载顶层骨架设计信息的二级骨架，然后依次继承传递，每一层的零件详细设计都依据各层的骨架模型作为参考，完成单个零件的详细设计。骨架模型设计法如图1所示，通过骨架模型实现对零件的定位、结构详细设计控制。
图1 骨架模型设计法
在Creo中，一般采用“发布几何特征”、“复制几何特征” 的方法来实现数据传递。发布几何特征实质是在骨架零件(或者普通模型)内部预先把准备输出的几何和基准打包，在其他的零件文件中通过复制几何特征共享发布几何特征的数据，实现数据的跨文件传递和共享。如消费电子类产品的骨架模型中，分别创建上壳、下壳、按键等零件的几何特征，在具体零件的详细设计中，如上壳零件建模时可利用复制几何特征导入骨架模型所发布的上壳几何特征数据，再进行具体的结构设计。当需要更改零件结构时，可通过骨架模型的修改，直接关联到零件的数据，实现映射修改。
1.3 主控模型设计法原理
主控模型设计法本质和骨架模型设计法一样，是在骨架模型设计法基础上的改进，如图2所示。将产品的主要结构和关键尺寸构建为一个主控模型，主控模型代替了所有的骨架模型，贯穿于装配系统中各零件的详细设计，将主控模型传递到其他零件中，分别在具体零件里进行详细结构设计，多个零件都能共享主控模型，主控模型的修改同样可自动映射到相关零件模型中。
在Creo中，主控模型的传递与调用主要包括元件的“合并”、“继承”、“切除” 等方法，还可以采用“发布几何特征”、“复制几何特征” 的方法来实现主控模型的数据传递和共享。使用“合并”特征，能将主控模型的结构要素传递给零件，通过“继承”特征，主控模型的结构、基准全部能完整地传递给零件。
图2 主控模型设计法
1.4 对比
骨架模型法和主控模型法没有优劣之分，适用于不同的产品。骨架模型法更适合于相对复杂的产品，如机械设备等产品。主控模型法相对共用数据及参照关系更简单(一般零件数不超过10个)，更适合结构复杂度低的消费电子类产品设计，如箱体类、壳体类消费电子产品，包括手机、电话机、鼠标、电视机外壳、显示器外壳、音响、MP3等。
事实上，骨架模型和主控模型法可以混合使用，如结构复杂度高的产品，内部结构可以先进行布局，再使用骨架划分区域，内部结构采用骨架进行数据共享和传递；涉及到外观的部件，可以采用主控模型法确定外形尺寸、接口，进行数据共享和传递。
2 3D打印(增材制造)
3D打印也称为增材制造、快速成型，是近二十年信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术，被誉为有望产生“第三次工业革命” 的代表性技术，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。
熔融沉积成型(FDM)是3D打印常见的加工方式之一，聚合物材料应用于FDM方式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂和聚乳酸(PLA)两种材料。
3D打印完整过程一般包括三维建模、STL文件转换、打印切片工艺参数设置、3D打印加工、后处理五个阶段。三维建模可采用前文所述的自顶向下设计方法进行，STL文件是3D打印的标准格式，三维CAD文件均可转化为STL文件以符合3D打印机器的要求。打印切片工艺参数设置与具备的成型设备有关，FDM机器包括工业机及桌面机两种类型，品牌设备商均提供了切片软件(如太尔时代的UP等)。三维CAD格式设置、ABS工业机快速成型工艺参数优化、聚乳酸桌面3D打印工艺参数优化可参考作者的其他论文，本文不再详细阐述，仅针对ABS材料桌面型3D打印STL切片过程和工艺优化进行阐述。
FDM成型中，STL文件的精度及切片的层厚是影响成型精度和效率的关键因素。以北京太尔时代公司UP BOX桌面型3D打印机为例，使用ABS／PLA材料3D打印，构建的三种模式工艺参数如表1所示。
表1 ABS材料三种模式3D打印工艺参数表
表1中，STL文件弦高指的是Creo零件转化为STL格式文件时设置的参数，该参数直接影响到切片的数量及成型的精度，弦高越小实体切割成三角片的数量越多，成型的精度越高。层厚是UP切片软件中每层的厚度，STL文件精度一致的前提下，层厚越小，成型精度越高，同时成型时间越长。UP软件的层厚有0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 mm共7种常用选择。效率优先是指以最快速度成型，则STL转化时弦高可采用默认值，层厚可设置为0.4mm的值；表1里归纳了三种常用的成型模式，其中精度优先是指以最高精度成型，弦高输入0，Creo软件自动计算最高精度的弦高，层厚采用0.1mm或0.15mm；效率精度兼顾模式则兼顾了精度及效率的因素，选用0.2、0.25mm层厚。总之，应根据具体产品(尺寸、精度要求等)选择不同类型参数及工艺模式。
