Назад Go Back

К разработке формы компактно штабелируемых изделий

How to design the compactly stacking products

Фото Наместников Алексей Юрьевич (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)



Проблема: промышленное серийное производство давно заставило конструкторов изменить традиционную форму некоторых вещей ради компактного складирования продукции при хранении и перевозке – штабелирования. Так, радикально изменился дизайн ведра (рис. 01). При создании новых серийных изделий с требованием штабелирования инженеры-конструкторы чудесным образом справляются с морфологией, обеспечивая и функциональность, и технологичность изделия. Вызывают восхищение контейнеры, штабелирующиеся по вашему желанию то плотно, то вместительно (рис. 02). Если же требовать еще и эстетичного вида, ценного образа, то дизайнерская задача становится весьма трудной из-за малой податливости формы художнику. Моделирование – хоть макетное, хоть компьютерное 3d – становится слишком запутанным для творчества. Явно не достает знаний о закономерностях поведения «формы, пригодной к штабелированию», удобного для дизайнера идеального представления. А о готовых компьютерных редакторах таких форм пока остается лишь мечтать.

Целью настоящего проектного исследования дизайнера стало познание формальных свойств штабелируемых одинаковых изделий.

Задача исследования: выявив все известные способы штабелирования изделий и классифицировав, описать их в виде, удобном для использования в практике дизайнера. Познать свойства известных форм штабелируемых изделий, дать рекомендации дизайнерам, оценить возможность автоматизации решения таких задач в компьютерных программах 3d-моделинга. А также, быть может, найти новые способы штабелирования.

Условия: - максимально плотная укладка в штабеле; - максимальная жесткость изделия; - удобный для работы художника-конструктора контроль внешнего вида изделия в целях достижения гармонии утилитарного и эстетического. Как правило, еще ставится условие технологичности; дизайнер обязан и его превратить в красоту (компромисс условий неприемлем при перфектном подходе к дизайну!).

Ход исследования – установление основных понятий и выявление закономерностей:

1) При рассмотрении штабелирования одинаковых изделий (клонов) простейших форм обнаруживаем, что всегда имеет место ось штабелирования (рис. 03), а клоны от предыдущего к следующему в штабеле или не поворачиваются, или должны поворачиваться вокруг оси штабелирования (рис. 04). Ось штабелирования может быть (рис. 03) прямой, по дуге, по замкнутой окружности или даже по винтовой линии. Направление оси в пространстве деятельности человека может быть вверх (против гравитации), наклонно вверх (до предела устойчивости штабеля) или горизонтально (вдоль пола или полки, по прямой или по дуге в плане – рис. 05). Проекцию клона на плоскость, перпендикулярную оси штабелирования и проходящую вблизи экватора клона, будем называть фигурой.

2) Штабелирование характеризуется шагом, который чем меньше, тем выгоднее. Шаг штабелирования задается иногда толщиной предмета по вектору оси штабелирования, иногда специальными элементами формы (зиг на стенке ведра, кант по верху горшка – рис. 06), а иногда случайностью – при слабом дизайне, когда не подумали о заклинивании.

3) Для предмета типа тарелки шаг штабелирования задается толщиной дна тарелки Д (рис. 07). Если стенки тарелки наклонены к дну не одинаково и от этого ось штабелирования не перпендикулярна плоскому дну, то шаг штабелирования Ш=Д/cosα, где α – угол отклонения оси штабелирования от перпендикуляра к плоскости дна (рис. 07). Чтобы стенки тарелки не увеличили шага штабелирования (что всегда не желательно), толщина стенки должна быть b<=Ш*sinβ, где Ш – шаг штабелирования; β – угол отклонения стенки от оси штабелирования (рис. 07).

4) Для штабелирования пригодны клоны следующих основных типов сечений в плоскости оси, которые можно условно обозначить похожими на них буквами:

I – плоские, любой фигуры;

U – вогнутые (тарелка, пиала, ведро);

П – выпуклые (всего лишь перевернутые вогнутые);

И – вогнуто-выпуклые

Ц – плоские или вогнутые или выпуклые или вогнуто-выпуклые, с неполым (-и) выступом (-ами) в направлении оси штабелирования (рис. 08).

Предположительно может быть еще форма в половину или треть или четверть фигуры любого из этих пяти типов, которая позволяет штабелировать группами по двое, трое и т.д. соответственно.

Также следует не забыть тип Г, который при складывании по два изделия лицом к лицу образует тип I.

5) Для штабелирования не пригодны формы с поднутрением (как выражаются литейщики), то есть с отрицательным наклоном стенки к оси штабелирования (рис. 09)

6) Чтобы плотно (с малым Ш) штабелировать изделия, имеющие боковые выступы в направлении оси штабелирования (клоны типа Ц), необходима возможность поворота клона вокруг оси, и выступ при повороте не должен натыкаться на фигуры или выступы других клонов (рис. 10). Максимальная высота штабеля в штуках N=γ/δ, где γ – угловая протяженность (вокруг фигуры) цельного пространства для выступов клонов; δ – угловой размер выступа. Если же длина выступа в направлении оси штабелирова­ния меньше или равна Ш*N, то штабель может расти дальше!

7) Штабелируемый предмет, исходя из вышесказанного, удобно представлять себе как оболочку какой-любой основной формы (I, U, П, И, Ц), сплошную или с проемами. Проемы в фигуре оболочки могут быть как озера на карте острова или как заливы моря вокруг острова. Чтобы не ухудшать плотности штабелирования, толщина каждого участка оболочки в направлении штабелирования должна быть не больше Ш. Чем ближе к направлению оси штабелирования наклонен участок оболочки, тем тоньше должна быть оболочка здесь. Например, вблизи экватора толщина стенки сферической чаши, если мерить перпендикулярно поверхности, стремится к нулю. Оболочка должна быть без поднутрения.

Результаты исследования – рекомендации дизайнерам:

1. Приступая к дизайну вещи, которая должна плотно штабелироваться со своими клонами, надо в эскизе определить ось штабелирования, так чтобы она была практична в жизнедеятельности. Хорошо, когда изделия штабелируются по вертикали и штабель, даже высокий, обладает устойчивостью. Если же, ради других качеств, стул дает наклонную ось штабелирования, то придется приложить к набору стульев специальную платформу, хорошо бы с колесиками (рис. 11). Или придать клону такую форму, что в штабеле самый нижний клон будет служить косой подставкой (например, за счет поворота другой стороной ко второму клону) – вот интересная задачка! Или обойтись совсем невысоким штабелем («много ведь не унести»). Если штабель будет расти по дуге (рис. 03), то потребителям придется помнить об ограничении высоты штабеля или укладывать его на бок и смириться с нерациональным объемом. Штабелирование по кругу встречается редко, но наверняка способно быть удачным решением не только для чайного сервиза (рис. 03). Штабелирование по винтовой линии пока, кажется, не нашло применения.

2. Вещь надо сначала рисовать как оболочку (рис. 12), несмотря на то, что она будет не обязательно из пластмассы или тонкостенного металла, а из прямого дерева, гнутой трубы или разных материалов. Задаем хороший (не слишком большой) шаг штабелирования и намечаем, в соответствующих ортогональных проекциях, предельную толщину участков оболочки в зависимости от наклона к оси штабелирования. Затем убираем из оболочки лишние участки, не забывая о сопутствующих качествах конструкции – технологичности, устойчивости, жесткости, удобстве пользования, эргономичности, образности. Резервом жесткости служит возможность добавить толщины слабому участку, отклонив его от оси штабелирования (по предлагаемой таблице взаимосвязанных величин Ш, β и b – см. Приложение). Но помним, что, например, в стуле тонкая чуть наклонная ножка жестче, чем толстая сильно наклоненная. Не следует также забывать о вантах, стержнях и тонких оболочках, хорошо работающих на растяжение. Художественное воображение при таком методе позволяет контролировать эстетические качества, которые поверяются в наглядных эскизах и визуализациях компьютерных трехмерных моделей (лучше – параметрических, которые легче оптимизировать, улучшать по эстетичности).

Важно также предотвратить износ видовых поверхностей изделия в штабеле и тем более заклинивание.

3. В ходе настоящего исследования найден новый способ штабелирования («по двое»), который обещает стать ценным дизайнерским качеством разрабатываемого автором промышленного изделия, но его опубликование решено придержать до получения патентной приоритетной справки.

Приложение: Таблица. Толщина наклонной стенки в зависимости от шага штабелирования Ш и угла отклонения стенки от оси штабелирования β, не более

Ш

β

12°

18°

30°

45°

60°

10

1

2

3

5

7

8,6

20

2

4

6

10

14

17

30

3

6

9

15

21

25

40

4

8

12

20

28

34

50

5

10

15

25

35

43

60

6

12

18

30

42

51

80

8

16

24

40

56

69

Примечания:

1) Иллюстрации автора. Изображения чужих запатентованных решений изделий приведены в научных некоммерческих целях.

2) Автор надеется получить от коллег-дизайнеров и геометров ценные замечания и дополнения и заранее их благодарит.

Вопросы и комментарии к выступлению:


Фото
Головнин Алексей Алексеевич
(15 октября 2012 г. 19:10)

Здравствуйте Алексей Юрьевич.

Очень приятно видеть исследование, особенно геометрическое, результатом которого стала заявка (на изобретение, полезную модель или промышленный образец?). Но судя из Вашего доклада, кроме штабелирования по двое, Вы не нашли информацию еще и по штабелированию по винтовой линии. А Вы не пробоовали найти форму промышленнного изделия, при котором именно такое штабелевание принесло бы выгоду?

С уважением

Фото
Ларкин Михаил Юрьевич
(15 октября 2012 г. 22:34)

Интересно, полезно, просто и логично. Спасибо, Алексей Юрьевич.

К возможным забавным. а потому - запоминающимся примерам добавлю казус при штабелировании корпусов бытового фильтра "Родник" на пермском заводе Сорбент: когда руководство потребовало увеличить производительность сверх рассчитанной технологами, к геометрическим параметрам добавился ещё и временной. Корпуса не успевали остыть, и надевались глубже на прежние, а при остывании произошло заклинивание всей стопы, как при горячей посадке. А такое разобрать под силу только японцам (на примере МиГа-25 В.Беленко), поэтому несколько схватившихся стоп корпусов ушли обратно в дробилку и экструдер.

Так что не только геометрия, иногда и время, и температура. Да и другие параметры могут преподнести сюрпризы - например, изменение адгезии от влажности и т.д.

Редькин Владимир Федорович
(16 октября 2012 г. 9:19)

Спасибо за интересный материал. Проблема очень актуальна и одновременно сложна. 

Ваши рекомендации наверняка будут полезны дизайнерам при проектировании новыж изделий или при решении задачи об упаковке уже разработанных изделий. 

В условия я бы предложил еще включить важный на мой взгляд вопрос об упаковке штабелей, что очень актуально при складировании в больших объемах.

С уважением

Фото
Горнов Александр Олегович
(17 октября 2012 г. 10:30)

Алексей  Юрьевич , здравствуйте ! Очень интересно ! Особенно ценны , по моему , обобщения , позволяющие  , как  всегда,  двигаться к  сути вещей .Спасибо !

Фото
Наместников Алексей Юрьевич
(19 октября 2012 г. 13:18)

Головнину А.А. от автора. Алексей Алексеевич, штабелирование по винтовой линии «обнаружено» чисто логически, как возможность. Думаю, что, кроме названных в докладе, линий траектории штабелирования нет. Полезность штабелирования по винтовой линии пока вызывает сомнение из-за некомпактности штабеля, но надо будет подумать о других полезных эффектах: привлекательности на месте продажи, самоповороте штабеля вокруг своей горизонтальной оси при укладке или снятии изделий (на 1/2Ш)... Заявка на полезную модель еще не составлена. С уважением А.Наместников.

Редькину В.Ф. от автора. Владимир Федорович, спасибо за системное предложение об упаковке штабеля. С уважением А.Наместников.

Горнову А.О. от автора. Спасибо, Александр Олегович! С уважением А.Наместников.

Фото
Наместников Алексей Юрьевич
(19 октября 2012 г. 13:22)

Ларкину М.Ю. Коллега, спасибо! С уважением.


Назад Go Back