儿童医院的CNC棋盘游戏

在这个教学表中，我将向您展示我的学生如何使用数字制造技术(3D打印和CNC路由)创建桌面游戏UDEM设计思维方法(版权归蒙特雷大学所有)*原始IDEO模型的变体。

该项目的目的是创造有趣和原创的游戏，捐赠给儿童医院，前提是:

我们如何将一个在医院里的孩子的情绪转化成一个棋盘游戏，期待着在他们康复期间帮助他们?

CAD / CAM软件:

• 188bet比分Autodesk Tinkercad 3D设计
• Ultimaker Cura 3D(用于3D打印)
• 画架(用于CNC雕刻)

材料:

• 1/2张松胶合板(9或12毫米厚)
• PLA 1.75 mm长丝(用于3D打印)
• 砂纸(粗、中、细)
• 木材胶
• 木材染色剂(酒精或油基)
• 木材封口剂(喷涂聚氨酯)
• 螺丝和钉子

车间工具:

• 拼图
• 凿
• 锤
• 带锯
• 尺子和方尺
• 夹具和45度夹具
• 个人防护装备

快速原型机:

• 3D打印机(我们使用Creality的CR-10S）
• 数控路由器(我们使用Inventables的X-Carve）
• 虚拟现实镜片(我们使用Meta的Oculus Quest 2）*可选

我们如何定义设计思维?这不是一个容易回答的问题，IDEO咨询公司的设计师告诉我们，“有没有单一的定义设计思维。它是一种思想，一种策略，一种方法，一种看世界的方式。它已经超越了任何个人、组织或网站的范围。随着它的成熟，它的历史不断深化，其影响也在不断演变。”(IDEO Design Thinking, n.d.)

让我们这么说吧:许多人一生都在设计思维中度过(但他们并不知道)，因为人类创造的每一个物体都是按照一些通常被最终消费者忽略的策略或方法设计的……(每个人都看到结果，很少有人看到过程)。



对我们来说UDEM高中(蒙特雷大学)，设计思维由6个步骤组成，形成一个迭代循环，我们的首要任务是在过程的每个阶段保持与用户的共情。

1. 理解:在这个阶段，我们使用IDEO方法卡片策略来学习如何与我们的用户产生共鸣。
2. 定义:在这里，我们过滤了前一阶段的所有发现，以便只保留最相关的。
3. 设想:我们使用不同的头脑风暴策略来产生尽可能多的创意。
4. 原型:在创客空间(及其数字制造技术)的帮助下，我们为我们的想法提供了物理形式，以创建我们可以与之互动的原型。
5. 测试:我们测试每个原型以找到需要改进的地方。
6. 改进:最后，我们将这些改进应用到我们的原型中，直到我们找到我们能做出的最佳版本。

有时当我们完成这个过程时…我们重新开始!这就是设计思维的优势。它不是一个线性模型，它是一个循环，我们可以在每个阶段重复、纠正和改进我们的想法。

同理心是设计思维的核心，没有人比遭受问题困扰的人更了解他们的问题(因此，没有人比他们更知道解决自己问题的关键)。

我们想要感受用户皮肤下的感觉。但是我们怎么能同情那些我们无法接触到的人呢?



在这个项目中，我们选择利用增强现实镜头(Oculus Quest 2)的新技术来观看勇敢的孩子们以第一人称录制的Youtube 360°视频，这些视频可以拍摄他们在医院里的日常生活。这些视频也可以在任何电脑上观看;然而，我们希望通过虚拟现实来实现更身临其境的体验，通过用户的眼睛来观察，并将自己与现实环境隔离开来。

在典型情况下(当我们可以与用户进行个人接触时)，我们会使用IDEO研究工具，例如:

• 面试
• 在墙上飞
• 导游
• 生活中的一天……

*有关每种工具的更多信息，请参阅(IDEO方法卡片:51种激发设计的方法，2022)。

在一次共情会议之后，我们被一股巨大的情绪浪潮包围着，在我们的脑海中旋转。这正是开始定义阶段的最佳时机，在这个阶段，我们把所有的感觉都经过几道筛选，只保留最相关的见解。

将情绪(感觉)转化为有形的东西(比如图像)的一个非常精确的工具是制作情绪板或情绪板。

情绪板不仅是一个工具，也是一种心态。这是什么意思?情绪板为我们的大脑进入产生想法的阶段做准备。把它看作是锻炼在你开始之前，你必须伸展你的身体)，思想也是如此(我们必须“动动脑筋”，才能想出更好的主意。．每个情绪板由3个主要元素组成:

1. 颜色代表我们对项目的情感，*通常与色彩心理学有关．
2. 纹理或模式模拟我们的情绪，*通常与视觉语言或形式语言相联系。
3. 图片或照片反映/传递我们的感受。

在这个特殊的案例中，我们使用情绪板来帮助学生找到两者之间的类比“孩子们在医院里的感受和他们玩玩具时的感受”．我的学生想出的一些类比是:

“我相信，孩子在医院里的生活是非常微妙的，每一个动作都像一盘棋。”

“有时候孩子们有好有坏，就好像他们生活在蛇和梯子的游戏中。”

“有时他们甚至不知道该怎么想，他们的脑袋就像一个大拼图或迷宫。”

“希望让他们一步一步前进，留下脚印!”就像森林里的动物。”

“他们想要控制自己的生活，就像使用玩具汽车的方向盘一样。”

数字制造是在计算机上进行设计的行为，目的是在特定的计算机控制机器上制造该设计。而数字制造是过程将数字设计与计算机控制的工具结合起来实践数字制造的感觉更像是软件和硬件之间的迭代舞蹈，设计是编舞(Rohrbacher等人，2017)

为了实现这个项目，我们需要一种软件，可以让我们在虚拟和物理过程之间快速切换。我们选择使用Tinkercad 3D Designs，因为它允许我们在短时间内生成大量的想法，我们可以:

评估我们最初的建议，改进数字模型，制造下一次迭代，重复这个过程，直到物体具有所有必要的功能和特征。

3D绘图、模拟、迭代和原型设计自然而然地将设计引入到使用数字工具制作东西的过程中。在使用Tinkercad进行数字制作时，需要考虑的一些主要规则或考虑事项是:

1. 始终按照实际比例绘制(或1:1比例)因为机器会精确地复制你的数字设计的尺寸。
2. 不要设计比你的机器还大的物体工作空间。
3. 注意公差、尺寸和小细节。任何东西都可以设计，但不是所有东西都可以制造，除非你确定你的机器有能力这样做。
4. 一旦你完成你的设计，把它平放。在工作平面上平行排列在导出之前。

Tinkercad的另一个重要优势是它的可导出性，它允许将设计保存在一系列不同的扩展中，这些扩展可用于各种不同的制造工具。

• STL用于大多数3D打印。
• OBJ用于3D打印的特殊机器，能够复制颜色。
• SVG用于激光切割和数控雕刻/切割。

计算机数控(CNC)将计算机上的设计转换为发送到自动化工具(Rohrbacher等人，2017)的介绍，如3D打印机，激光切割机，乙烯基绘图仪，特别是在这个项目中，数控路由器。路由器和铣床使用非常锋利，圆形，旋转的工具或旋转刀具(称为立铣刀)在工件．

设计人员在设计过程中开发零件或物件计算机辅助设计(CAD)软件程序，然后导出设计文件计算机辅助制造(CAM)软件CAM将设计几何图形转换为偏置，结合了3D坐标和物理设置。立铣刀遵循偏置告诉他们该怎么移动，切到哪里。

STL是一种经常用于3D打印和计算机辅助设计(CAD)的文件格式。它代表立体光刻，一种著名的3D打印技术。这种格式通过相互连接的多边形网络表示我们设计的外部几何结构。

要以这种格式从Tinkercad导出，只需要选择相应的图形>，进入导出菜单>，确认选项“仅选中的图形”已启用>，最后选择stl格式。

对于3D打印这个项目，我们使用了免费的凸轮软件3 d的看台通过Ultimaker．导入到程序中就像将stl文件拖到工作区中一样简单;下面我将与您分享我们在创客空间中用于大多数常见项目的打印设置。

• 材料:解放军+
• 喷嘴尺寸:0.4 mm
• 层质:0.28 mm
• 填充:20%网格图案
• 挤压温度:210℃
• 热床温度:60℃
• 打印速度:45mm /s
• 支持:是(45度自动)
• 粘连:边缘

的SVG(可缩放矢量图形)格式用于定义基于矢量的图形，同时保留其尺寸精度(大小)和方向(起始-结束位置)属性。它用于在切割和雕刻技术中再现所有类型的二维设计，如路由器、激光、绘图仪等。在数控语言的向量被翻译成偏置(在接下来的教学中，我们将讨论这个主题)。

要从修补匠那里出口，首先要做的是确保我们所有的几何图形都以平面的方式与工作平面相交(平行于曲面)。否则向量就画不出来了。

然后选择相应的图形>，进入导出菜单>，确认选项“only selected figure”已启用>，最后选择svg格式。

对于CNC布线这个项目，我们使用了免费的和在线的凸轮软件画架通过于新．该软件能够进行生产刀位点文件来控制X-Carve(同品牌的软件)和通用数控路由器设备。

要将svg文件导入到程序中，只需访问项目菜单>并单击导入svg(另一种选择是使用左侧工具栏上的导入按钮)。

EASEL使我们很容易。我们不必担心切割的技术方面，因为软件会自动计算机器应该移动的速度和工具应该旋转的转速，所有这些都是基于我们对材料和尺寸的选择。

最重要的是选择最接近我们实际要使用的材料一定要写下它的精确尺寸(长、宽、高)我们的这块木头;如果我们不这样做，我们就会冒机器故障和钻头断裂的风险，因为它不能足够快地旋转来切割我们正在使用的材料。

一旦我们的设计(或向量)在工作平面内，正确地安排它是很重要的。

一般的经验法则是留出至少1到2厘米的自由周长，我们将用来将我们的一块木头固定在路由器的工作台上。

最好我们应该把设计放在材料的中心;然而，这可能会造成大量材料的浪费。另一种选择是将它对准材料的一个角，始终遵循自由周长规则。

这同样的规则适用于分离个别设计彼此，我们将在相同的切割工作。所有零件之间的距离应该至少是我们使用的钻头直径的3倍(或者简单地间隔1厘米，以保持简单)。

一个配置文件路径沿着单个部分的一条线。这是手工裁剪图案的数字版。配置工具路径(或配置文件)在一个封闭的形状周围切割到指定的深度。虽然只有一种类型的配置文件减少在美国，有三种不同的方法:

• 在减少:显示刀具直接在直线上切削。这种类型的工具路径可以很好地用于装饰细节，但是不用于加工精确尺寸的零件。
• 简介:外这是最常用的工具路径类型，因为它可以创建真正的零件轮廓。它只去除零件线外的材料，保持尺寸精度。
• 在简介:这种类型的刀具路径在零件线内切割。正因为如此，它经常被用于对发生在部件内部的特征进行穿透切割，比如槽．

无论你切割线的哪一边，当你想完全切割一个部分时，这是要使用的刀具路径(Rohrbacher等人，2017)。

• 口袋里的刀具轨迹:它在一个封闭的线或形状的内部切割，去除所有的材料口袋里(凹陷的，清除的区域)到用户指定的深度。
• 钻刀具轨迹:使CNC像钻床一样操作，将立铣刀垂直地插入材料中。钻孔创建了一个孔，对应于工具的直径(这意味着它不是一个好的选择，创建尺寸准确的紧固件孔)。

但是我们如何指定我们想要切割或雕刻的深度呢?EASEL使用灰度来确定我们想要执行的切割深度:白色(没有深度)，黑色(是一个完整的切割)和灰色(是正比的，因为它越来越接近黑色)。

一般来说，我们应该把路由器想要忽略的区域留空。黑色代表所有切割和钻孔。灰色被指定用于雕刻或口袋(灰色阴影越深，雕刻就会做得越深)。

纹理、图案、装配、雕刻等许多主题，在绘制CAD设计时，确保它们符合所有的制造规则和公差，可能是一个令人头痛的问题。

幸运的是，EASEL有许多免费的应用程序，可以帮助自动生成所有这些功能，我们只需要担心自定义参数。我的学生使用这些应用程序:

• 生成带有自动生成的程序集的框
• 向程序集添加狗骨(允许路由器程序集平滑地组合在一起的特性)
• 雕刻纹理
• 创建重复模式
• 添加并对齐文本

不是每件事都是完美的，工件还没有准备好使用，只要他们从CNC路由器出来。它需要这个人类接触手工准备所有零件，遵循经典的木工工艺:

>用胶水将所有部件从工件上剥离>彻底打磨>涂漆或染色>用清漆密封部件以保护其不受天气影响>最后在测试前将所有部件放在一起。

上面是我的一个团队制作的视频，展示了他们是如何一步一步地完成这个艰巨的过程的。

在这一阶段，第一个原型被测试，以寻找他们的失败和成功，一切都被记录在视频和记录在一个反馈信息表．虽然每个学生将确定评估的特征(取决于每个项目的简介)，但在这种情况下，我们将重点关注以下方面:

• 功能
• 使用安全
• 耐用性
• 视觉语言
• 用户友好的

在整个过程中，每一步都有很多事情出错……这是完全正确的!

犯错是你在做好事的标志。

在完善阶段，我们负责解决我们遇到的每个细节，在将产品提供给用户之前实现产品的最佳版本。即使看起来这是图中的最后一个步骤，但实际上它存在于前面的每个步骤中，动态地解决每个问题。

但当我们得到TEST阶段的结果时，它会变得更强。这就是我们要寻找的:

• 正确的工作方式:仍然是
• 不管用的是:是改变了或固定

在实施阶段，你将把你的解决方案带到生活中，并推向市场。你将建立伙伴关系，完善你的商业模式，试验你的想法，并最终实现它。你会知道你的解决方案将会成功，因为你把你想要服务的人放在了这个过程的核心(Ideo et al.， 2015)。

这一阶段将帮助你回答:

• 我该如何计划接下来的事情?
• 我如何让我的概念成为现实?
• 我如何评估我的解决方案是否有效?

虽然你一直在从你的设计对象那里得到反馈，但动态原型是在市场上测试你的解决方案的最强大的方法之一。到目前为止，你的原型还很粗糙，它们只够传达你想要测试的想法。然而，动态原型让你有机会在现实环境中对你的解决方案进行压力测试。

有时在生活中，事情不是我们或别人所能控制的，但我们必须学会与之共存;然而，在棋盘游戏中我们总是可以为了胜利而改变规则;)有那么一瞬间，我们掌控着一切，与朋友和家人分享美好时光。

这是一个有创造力的人的工作，试着用他们不知道可以解决的方法来解决人们的问题。

IDEO设计思维．(无日期)。设计思维。https://designthinking.ideo.com/

Ideo, IDEO.org， & Ideo(公司)。(2015)。以人为本设计的现场指南．视频。

IDEO方法卡片:51种启发设计的方法．(2022)。威廉胖胖。

Rohrbacher, G.， Filson, A.， France, A. K. & Young, B.(2017)。数控设计:家具项目和制造技术(第1版)。创建社区有限责任公司。