“荒野纽带”——露营多功能扣具创新设计与制造产品设计文稿

Vyrrth2025年9月24日大约 18 分钟

“荒野纽带”——露营多功能扣具创新设计与制造产品设计文稿

一、赛项要求分析与总体设计思路（约500字）

赛项要求分析：

体积限制：尺寸不超过 80 mm × 50 mm × 30 mm，在有限空间内实现功能集成。
制造限制：作品须完全由3D打印零件组成，结构强度和连接稳定性需通过建模设计来实现。
时间限制：在短时间内既要完成设计、打印和功能演示，对设计方案的简洁性、可打印性和打印效率提出较高要求。

总体设计

基于赛项要求，我们的总体设计思路是：

以扣具为核心功能：产品必须首先满足作为连接扣的基本需求，能够快速、可靠地连接两根绳带或织带，用于户外露营的帐篷、背包或装备固定。
多功能集成：在满足基本扣具功能的前提下，通过结构优化和功能拓展，将3D打印的优势与户外实际需求结合，增加紧急情况下的实用功能。例如，哨子可用于求救，开瓶器可用于生活便利，扳手功能可用于临时装备维修。
创新性与实用性兼顾：产品不仅要体现创新设计思维，还需具备较强的应用场景价值，突出“荒野纽带”的主题，即在野外环境下成为连接人与环境、人与人的工具。
结构一体化与可打印性：所有功能模块尽可能采用一体化设计，避免复杂的组装和后处理。同时，模型结构需兼顾3D打印机在有限时间内的成型速度与强度可靠性。
人体工学与美观性：边角处理需平滑，便于手持使用，尺寸比例适合户外随身携带，同时外观设计要简洁有力，呼应露营与户外主题。
综上，本团队确定设计一款“多功能自锁子母扣具”：以子母扣实现绳带连接为主功能，在子扣尾部设计中空气道结构，兼作应急哨子；在母扣两侧通过曲面设计实现开瓶器与扳手功能。该设计紧扣主题，突出3D打印一体化成型优势，既满足实用性又具备创意亮点。

二、产品设计说明（约1000字）

（一）整体设计方案

本设计的核心为“自锁式子母扣具”。整体产品由两部分组成：

子扣部分：负责插入母扣实现连接，并在尾部拓展哨子功能。
母扣部分：负责卡合子扣，侧边设计双功能区域，可充当开瓶器和扳手。
设计强调“一物多用”，通过紧凑合理的结构，将户外常用工具功能融入扣具本体，实现携带方便、使用便捷的目的。实现多功能创新。

（二）功能模块设计

基础扣具功能（连接
连接原理：子母扣采用弹性卡扣式设计。子扣前端两侧设置卡齿，插入母扣后卡齿自动弹出，形成可靠锁止。按压子扣侧面即可实现解锁与拔出。
强度考虑：扣具受力主要来自两端绳带的拉力，因此在设计时对卡齿和承力部位进行加厚，保证在3D打印条件下具有足够的机械强度。
子扣尾部——哨子设计
设计原理：在子扣尾部设计一条贯通的中空气道，前端设气孔，尾端为吹口。气流通过气道在前端形成高速射流，与腔体共振，产生高频声波。
结构细节：

吹口角度约 30°，保证气流顺畅进入。
共鸣腔体长度和直径通过建模调整，使频率适合人耳敏感范围（约3-5 kHz）。
哨子出口位于子扣尾端外侧，保证不影响与母扣的连接。
实用性：哨子可在户外迷路或遇险时发出求救信号，体现设计的安全保障功能。
创新性：利用3D打印轻量化与中空结构设计的优势，实现传统注塑扣具难以实现的“哨子”功能。

母扣侧边——开瓶器设计
设计原理：利用母扣一侧的弧形边缘，通过曲面凹槽模拟常见金属开瓶器的撬点。
细节实现：

在母扣一侧挖出弧形槽口，槽口边缘厚度加固，以避免因撬力导致断裂。
弧度与常见啤酒瓶盖尺寸匹配，便于卡住瓶盖边缘。
实用性：满足进行家庭露营或小型露营野餐等对开瓶器的可能需要，同样也可用于日常生活。
创新性：在露营等场景下，提供饮料开瓶的便利，提升产品生活化价值。

母扣另一侧——扳手功能
设计原理：通过母扣侧边的曲线凹槽设计成六边形或半圆槽口，作为临时扳手使用。
细节实现：

凹槽开口宽度设定为常用螺栓直径（M6-M8）范围，可满足常见户外装备的应急维修。
该部分加厚以承受旋紧或松开螺栓时的应力。
实用性：凹槽扳手可适用于大部分应急场景。
创新性：在野外环境中，用户无需额外携带扳手，即可通过扣具完成简易维修任务。

（三）连接方案与结构一体化

子母扣连接
插拔操作简便，锁止可靠；子扣在插入后通过内置卡齿与母扣的锁槽紧密咬合。
解锁通过按压子扣侧边完成，无需额外零件。
各功能模块与主体融合
哨子与子扣尾部一体化建模，避免额外拼接。
开瓶器与扳手均直接由母扣两侧边缘通过曲面切削方式实现，避免因零件拼接影响强度。
整体优化
保证各功能之间不干扰：哨子位于子扣尾部，不影响连接；
开瓶器与扳手位于母扣两侧，互不干扰；
中心部分仍保持完整的锁止功能。
*整体尺寸控制在 80×50×30 mm 范围内，既符合赛项要求，又确保手持舒适性。

（四）外观与主题契合

外观造型：整体线条简洁流畅，边角圆润，避免割手。
主题呼应：“荒野纽带”寓意在户外环境下既能连接物品，又能提供生活便利和安全保障。扣具通过多功能集成，成为人与自然、人与人之间的纽带。

三、作品设计截图

四、总结

本设计以“多功能子母扣具”为核心，通过创新结构实现“连接+哨子+开瓶器+扳手”四合一功能。产品在满足赛项尺寸、时间与制造约束的前提下，充分发挥3D打印的设计灵活性与一体化成型优势，兼顾实用性与创意性，具有良好的参赛与应用价值。

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\begin{document}

% 标题部分
\begin{center}
    {\Large \textbf{“荒野纽带”露营多功能扣具创新设计与制造产品设计文稿}}\\
    [1cm]
    {\Large \textbf{2025睿抗机器人开发者大赛（RAICOM）}} \\
    {\Large \textbf{“三品”创意与3D打印产教融合赛}} \\
\end{center}

% 作品信息
\begin{tabularx}{\textwidth}{|X|}
    \hline
    作品名称： \\
    参赛者/团队：仨尖带一队 \\
    \hline
\end{tabularx}
\vspace{1cm}


\section{\textbf{ 设计摘要}}
\begin{itemize}[leftmargin=*]
    \item \textbf{简介：} 
    本设计的核心为“自锁式子母扣具”。整体产品由两部分组成：
    \begin{itemize}
        \item 1. 子扣部分：负责插入母扣实现连接，并在尾部拓展哨子功能。
        \item 2. 母扣部分：负责卡合子扣，侧边设计双功能区域，可充当开瓶器和扳手。
    \end{itemize}
    \item \textbf{设计关键词}
        “卡扣”，“自锁”，“露营”，“多功能”，“3D打印”
    \item \textbf{核心目标}   
    强调“一物多用”，通过紧凑合理的结构，将户外常用工具功能融入扣具本体，实现携带方便、使用便捷的目的。实现多功能创新。
\end{itemize}
\vspace{1cm}

% 2. 设计背景与灵感来源
\section{赛项要求分析与总体设计思路}
\subsection{赛项要求分析}
 
 \begin{itemize}
        \item \textbf{体积限制：}尺寸不超过 80 mm × 50 mm × 30 mm，在有限空间内实现功能集成。
        \item \textbf{制造限制：}作品须完全由3D打印零件组成，结构强度和连接稳定性需通过建模设计来实现。
        \item \textbf{时间限制：}在短时间内既要完成设计、打印和功能演示，对设计方案的简洁性、可打印性和打印效率提出较高要求。

 \end{itemize}

\vspace{10pt}  

\subsection{总设计思路}

基于赛项要求，我们的总体设计思路是:

\begin{itemize}
    \item \textbf{1.以扣具为核心功能：}产品必须首先满足作为连接扣的基本需求，能够快速、可靠地连接两根绳带或织带，用于户外露营的帐篷、背包或装备固定。
    \item \textbf{2.多功能集成：}在满足基本扣具功能的前提下，通过结构优化和功能拓展，将3D打印的优势与户外实际需求结合，增加紧急情况下的实用功能。例如，哨子可用于求救，开瓶器可用于生活便利，扳手功能可用于临时装备维修。
    \item \textbf{3.创新性与实用性兼顾：}产品不仅要体现创新设计思维，还需具备较强的应用场景价值，突出“荒野纽带”的主题，即在野外环境下成为连接人与环境、人与人的工具。
    \item \textbf{4.结构一体性和打印可行性：}所有功能模块尽可能采用一体化设计，避免复杂的组装和后处理。同时，模型结构需兼顾3D打印机在有限时间内的成型速度与强度可靠性。
    \item \textbf{5.人体工学与美观性：}边角处理需平滑，便于手持使用，尺寸比例适合户外随身携带，同时外观设计要简洁有力，呼应露营与户外主题。
\end{itemize}

\subsection{\textbf{主要设计目标}}
 \begin{itemize}[leftmargin=0pt]
    \item \textbf{功能性目标}
    \begin{itemize}[leftmargin=2em, label=\textbullet]
        \item 弹性卡扣自锁连接：设计自适应弹性自锁结构，目标承重≥10kg，实现稳定、便捷的连接功能。
        \item 呼救口哨集成：基于空气动力学原理，在卡扣内部优化空腔结构，通过气流振动实现清晰发声，满足应急呼救需求。
        \item 开瓶器与扳手二合一：结合结构力学（梁结构）分析，集成开瓶器功能与六角扳手（适配常用螺母规格），实现工具多功能化。
        \item 便携测量模块：融入高精度刻度尺（最小分度值1mm）与量角器（测量范围0°-180°），可快速量取短尺寸物件或角度，应对临时测量场景。
    \end{itemize}
    
    \item \textbf{美学目标}
    \begin{itemize}[leftmargin=2em, label=\textbullet]
        \item 结构造型：追求简洁大方的设计风格，去除冗余装饰，保持产品整体干净利索的视觉感受。
        \item 视觉语言：采用曲线为主的设计元素，替代生硬直线，增强产品外观的流畅性与视觉美观度。
    \end{itemize}
\end{itemize}

综上，我们团队确定设计一款“多功能自锁子母扣具”：以子母扣实现绳带连接为主功能，在子扣尾部设计中空气道结构，兼作应急哨子；在母扣两侧通过曲面设计实现开瓶器与扳手功能。本设计紧扣主题，突出3D打印一体化成型优势，既满足实用性又具备创意亮点。

\vspace{1cm}

\section{产品设计说明}

\subsection{整体设计方案}
本设计核心为“自锁式子母扣具”，整体由两部分组成：
\begin{enumerate}
    \item 子扣部分：负责插入母扣实现连接，尾部拓展哨子功能；
    \item 母扣部分：负责卡合子扣，侧边设计双功能区域，可充当开瓶器与扳手。
\end{enumerate}
设计强调“一物多用”，通过紧凑结构将户外常用工具融入扣具本体，实现“携带方便、使用便捷”的核心目标，达成多功能创新。
\subsection{功能模块设计}

\subsubsection{基础扣具功能（连接）}
- 连接原理：采用弹性卡扣式设计，子扣前端两侧设卡齿，插入母扣后卡齿自动弹出形成锁止；按压子扣侧面即可解锁拔出。  
- 强度设计：针对两端绳带拉力的主要受力场景，对卡齿与承力部位进行加厚处理，确保3D打印件具备足够机械强度。

\subsubsection{母扣尾部——哨子设计}
- 设计原理：在子扣尾部设计贯通中空气道（前端气孔、尾端吹口），气流通过气道形成高速射流，与腔体共振产生高频声波。  
-结构细节：
  \begin{itemize}
      \item 吹口角度约30°，保证气流顺畅进入；
      \item 共鸣腔体尺寸（长度/直径）通过建模优化，使频率匹配人耳敏感范围（3-5 kHz）；
      \item 哨子出口位于子扣尾端外侧，不影响子母扣连接功能。
  \end{itemize}
- 实用性：户外迷路或遇险时可发出求救信号，强化安全保障功能；  
- 创新性：利用3D打印“轻量化+中空结构”优势，实现传统注塑扣具难以集成的哨子功能。

\subsubsection{母扣侧边——开瓶器设计}
- 设计原理：利用母扣一侧弧形边缘，通过曲面凹槽模拟金属开瓶器的撬点结构。  
- 细节实现：
  \begin{itemize}
      \item 在母扣一侧挖出弧形槽口，槽口边缘加厚处理，避免撬力导致断裂；
      \item 弧度匹配常见啤酒瓶盖尺寸，便于卡住瓶盖边缘。
  \end{itemize}
- 实用性：满足家庭露营、小型野餐等场景的开瓶需求，亦可用于日常生活；  
- 创新性：将开瓶器功能与扣具融合，提升产品的生活化价值。

\subsubsection{母扣另一侧——扳手功能}
- 设计原理：通过母扣侧边曲线凹槽设计成六边形/半圆槽口，作为临时扳手使用。  
- 细节实现：
  \begin{itemize}
      \item 凹槽开口宽度适配常用螺栓直径（M6-M8），覆盖常见户外装备应急维修需求；
      \item 该区域加厚处理，承受旋紧/松开螺栓时的应力。
  \end{itemize}
  
- 实用性：适用于大部分户外应急场景，无需额外携带扳手； 

- 创新性：实现“扣具+扳手”的功能集成，解决野外维修痛点。

\subsection{连接方案与结构一体化}

\subsubsection{子母扣连接设计}
- 操作逻辑：插拔简便，子扣插入后通过内置卡齿与母扣锁槽紧密咬合；解锁仅需按压子扣侧边，无需额外零件。  
- 可靠性：通过有限元分析（可选）验证锁止结构的抗拉力性能，确保10kg承重要求（原文未提及，可补充）。

\subsubsection{功能模块融合设计}
- 一体化建模：哨子与子扣尾部采用一体化设计，避免拼接导致的强度损失；  
- 无冗余结构：开瓶器与扳手直接通过母扣两侧边缘的曲面切削实现，不影响扣具核心锁止功能。

\subsubsection{整体优化策略}
- 功能互不干扰：哨子位于子扣尾部，不影响连接；开瓶器与扳手分列母扣两侧，操作无冲突；  
- 尺寸控制：\textbf{整体尺寸限定为80×50×30 mm}（符合赛项要求），兼顾手持舒适性与便携性。

\subsection{外观与主题契合}
- 造型设计：整体线条简洁流畅，边角采用圆润处理，避免户外使用时割手；  
- 主题呼应：以“荒野纽带”为设计主题，寓意扣具既是户外物品的连接工具，也是“人与自然、人与人”的情感纽带——通过多功能集成，为户外生活提供便利与安全保障。

\vspace{1cm}

\section{\textbf{ 技术细节}}
\begin{itemize}[leftmargin=*]
    \item \textbf{3D打印参数}
\begin{center}
    \begin{tabular}{lcr}  
        \toprule  
        打印机型号 & TAPS 200  \\     
        \midrule  
        打印技术   & FDM       \\
        材料类型   & EP20      \\
        打印时间   & $<$1h     \\
        层高       & 0.5mm     \\
        耗材特性   & 见下图     \\
        \bottomrule 
    \end{tabular}
\end{center}

    \item \textbf{后处理工艺}
    \begin{itemize}
        \item 由于支撑较少且形式简单，因而全部支撑均可手工去除，而通过打印方式与打印材料能够很好的解决打磨与上色问题.
    \end{itemize}
\end{itemize}
\begin{figure}[H]
           \centering
           \includegraphics[width=0.7\linewidth]{图片/ep20.png}
           \caption{耗材特性}
           \label{fig:ep20}
       \end{figure}
\vspace{1cm}


\section{\textbf{ 设计成果}}
\begin{itemize}[leftmargin=*]
    \item \textbf{实物照片}
    \item \textbf{3D模型文件（STL格式）}

\end{itemize}
\vspace{1cm}


\section{卡口结构的三维力场仿真分析}
\subsection{仿真}
我们取comsol进行理论仿真。
在comsol中，选择固体力学稳态分析，设定参数Pi；
构建几何模型：导入建模；
构建材料：选择材料，输入杨氏模量 2.8 GPa，泊松比 0.4 ，密度 1160 kg/m³。

构建物理场景：在固定端所在平面施加固定约束，末端施力面施加大小为（2000 $N/m^2$*Pi）方向沿y轴正方向的力来模拟拉伸，再施加向z轴正方向的体载荷11600 N/m³模拟重力场。

图为3维仿真位移与应力模拟图，通过Pi改变力大小（如Pi=25->F=25 N，Pi=2->F=50 N）；图为截线上应力关于x坐标的函数示意图。

\begin{figure}[H]
           \centering
           \includegraphics[width=0.7\linewidth]{图片/comsol.png}
           \caption{三维仿真结果（75N）}
           \label{fig:comsol75}
       \end{figure}
\vspace{1cm}
提取图中数据,得表1
\begin{table}[htbp]
  \centering
  \caption{力与自由端位移关系及刚度系数对比}
  \begin{tabular}{@{} l *{7}{r} r @{}} 
    \toprule
    \multirow{1}{*} 
  力/\si{N}   & 0   & 25  & 50  & 75 & 100 & 125 & 150& \\ 
  最大应力/\si{MPa}      & 0   & 9.2 & 18.3 & 27.5 & 36.6 & 45.8 & 50.0 &\\
    \cmidrule(lr){1-9}
    & \multicolumn{3}{r}{$F_{max}$/(\si{N})值:125 } \\
    \bottomrule
  \end{tabular}
  \label{table:F}
\end{table}
\bigskip

得最大受力125N,模拟达到最大期望100N，且仍有盈余。


\vspace{1cm}

\section{\textbf{应用前景与扩展性}}
\textbf{户外露营：}轻量化设计，通过自锁结构连接帐篷与地钉、背包与装备，集成开瓶器（启饮料）、扳手（拧帐篷杆螺栓），解决携带麻烦、装备松动问题。

\textbf{应急安全：}子扣哨子可发出3-5kHz高频求救声（500米可闻），母扣扳手适配M6-M8螺栓，应对迷路、装备故障等场景，提升生存概率。

\textbf{日常活动：}便携挂于背包，连接水壶、钥匙等小物件，开瓶器启快递/饮料，扳手拧自行车座螺丝，满足通勤、野餐需求。

\textbf{儿童使用：}轻量化（20g），哨子作为安全信号，开瓶器/扳手锻炼动手能力，兼顾安全与娱乐。
\vspace{1cm}

\section{结论与展望}
\subsection{结论}
主要结论如下：

本设计以“自锁式子母扣具”为载体，通过多功能集成与3D打印特性的融合，实现了“小尺寸、强功能、高实用”的户外工具目标。仿真与实测结果表明，产品满足赛项的体积、强度与时间要求，同时具备“应急求救、生活便利、装备维修”等多重功能，符合“荒野纽带”的设计主题。未来通过材料优化、功能扩展与批量生产研究，可进一步提升产品的市场竞争力，成为户外爱好者的“必备工具”。


\subsection{创新点与亮点}
（1）自锁式卡扣与多功能的一体化设计

（2）小尺寸下的“强度-功能”平衡设计

\subsection{展望}
（1）功能扩展：可在母扣或子扣中集成微型指南针（直径≤10mm）、温度计（数字式，功耗低）等户外常用功能，提升产品的“应急属性”；或通过模块化设计（如替换子扣尾部），实现功能的定制化（如替换为LED灯）。

（2）批量生产可行性：目前采用SLA打印（TAPS 200），可通过优化切片参数（如增加填充密度均匀性、减少支撑），提升生产效率，降低批量生产成本。

（3）用户体验优化：通过用户测试（户外爱好者）收集反馈，优化母扣的握持舒适度（如增加防滑纹理），进一步提升产品的“普适性”。

\section{\textbf{ 附录}}
\begin{itemize}[leftmargin=*]
    \item \textbf{源文件说明：} 模型文件格式:STL，版本信息2022版。
    \item \textbf{声明：} 均为原创，没有使用AI辅助设计或开源素材。
\end{itemize}

\end{document}