基于乐高与增材制造的混合媒体原型设计方法研究：策略评估与性能优化

《Design Science》：Establishing and evaluating approaches for mixed media hybrid prototyping using Lego and additive manufacturing

本研究针对混合原型（HP）实践中缺乏系统方法指导的问题，探索了乐高与3D打印相结合的混合原型设计策略。研究人员提出了自适应保真度、并行制造和组件重用三种HP方法，开发了自动化混合工具，并通过案例验证了其在缩短原型制作时间（最高节省56%）和减少材料消耗（最高节省76%）方面的显著潜力，为降低产品开发成本、加速迭代提供了新思路。

　　

在产品开发过程中，原型制作是验证设计理念、降低风险的关键环节。然而，传统原型制作方法常面临制作周期长、成本高、材料浪费严重等问题，尤其是单一介质原型在灵活性、可重用性和制作效率方面存在明显局限。尽管已有研究尝试通过改进原型活动流程或开发新型制造工具来优化这一过程，但多数工作仍聚焦于单一介质或技术的应用，未能充分挖掘混合介质原型在协同互补方面的潜力。在此背景下，混合原型（Hybrid Prototyping，HP）——即在同一产品原型中整合多种介质——逐渐受到关注，其通过结合不同介质的优势，有望显著降低制作成本、缩短周期。然而，现有HP实践多停留在临时性、非正式层面，缺乏系统的方法指导，且尚未深入探讨不同HP策略如何与设计意图相匹配，以及其对实际效益的影响。

为解决上述问题，由David Mathias、Chris Snider、Aman Kukreja和Ben Hicks等来自英国布里斯托大学的研究团队在《Design Science》上发表了题为“Establishing and evaluating approaches for mixed media hybrid prototyping using Lego and additive manufacturing”的论文。该研究以乐高（LEGO）和3D打印（3DP）这两种特性迥异的介质为对象，提出了三种HP策略——自适应保真度（Adaptive Fidelity）、并行制造（Parallel Fabrication）和组件重用（Component Reuse），旨在通过混合介质实现原型保真度的灵活调控、制作过程的并行化以及组件的高效复用。研究团队进一步建立了HP实施的实践原则与良好实践指南，开发了一款自动化混合原型支持工具，并通过仿真研究与实际案例对三种策略的相对效益进行了量化评估。结果显示，根据不同策略的选择，HP最高可节省56%的制作时间和76%的材料消耗，证明了其在提升原型制作效率与资源利用率方面的巨大潜力。

为开展研究，作者团队首先分析了乐高与3D打印作为原型介质的相对特性：乐高具有组装快速、可重构性强、技能要求低等优点，但保真度较低且受限于现有积木类型；3D打印则能实现高精度、复杂几何形状的制造，但制作速度慢、材料多为一次性使用。基于这一对比，研究提出了以乐高填充内部体积、3D打印构件作为高保真外表面的基本HP架构，类似于数控加工中“粗加工+精加工”的思路。在此基础上，研究团队确立了HP实施的构造原则（如接口完整性、装配平面规划、分解平面设计）与良好实践准则（如技术约束、工艺检查、设计验证），并据此开发了一款基于Blender平台的HP支持工具。该工具可自动化完成几何导入、乐高选择、内部填充（Brixellation算法）、外壳分解、并行打印分配及装配指令生成等流程，确保HP策略的可重复实施与效益评估。

研究结果部分通过仿真分析与实际案例验证了三种HP策略的性能。在仿真研究中，选取了计算机鼠标、视频游戏控制器和数码相机三种具有不同几何特征的 artefacts 作为测试对象，分别从时间节省与材料消耗两个维度进行评估。

自适应保真度策略

该策略通过将原型表面划分为不同保真度要求的区域（Regions of Interest，ROI），在高保真区域使用3D打印，低保真区域使用乐高，以平衡制作时间与视觉/功能需求。仿真结果显示，当高保真区域面积占比低于78.7%时，HP的制作时间开始优于全3D打印方案。例如，在See Sense案例中，通过仅对用户交互部分（如按钮界面）进行高保真打印（保真度57.7%），实现了32%的时间节省和76%的材料节约，凸显了该策略在需重点刻画局部特征场景下的优势。

并行制造策略

该策略通过将原型分解为多个组件，并利用多台打印机并行制作，以压缩总制作时间。仿真表明，随着打印机数量增加（1至20台），制作时间呈现先快速下降后趋于平缓的趋势，最佳效益点出现在6台打印机左右，此时HP相比单件打印可节省约46%的时间。然而，过度分解会增加组件接口数量，可能引入视觉缺陷并提高装配复杂度，需在设计意图与效率之间进行权衡。

组件重用策略

该策略旨在通过最大化迭代过程中乐高与打印组件的复用率，降低累计制作成本。仿真显示，该策略对局部设计变更（如按钮形状调整）效益显著，可在后续迭代中重用大部分未修改组件；但对于整体结构大幅变动的情况，节省效果有限。在See Sense案例中，尽管该策略导致单次迭代时间增加27%，但材料消耗与并行制造相当，说明其在长期迭代或项目变体开发中具备潜在价值。

在案例验证部分，研究以See Sense智能灯泡项目为对象，对比了三种策略在真实产品开发流程中的表现。结果显示，并行制造与自适应保真度策略分别实现了56%的时间节省和76%的材料减少，而组件重用在多次迭代中展现出累积效益。值得注意的是，策略之间并非互斥，实际应用中可根据设计阶段与目标灵活组合，以最大化整体效益。

研究结论部分强调，HP通过介质互补与策略优化，为早期产品开发阶段提供了显著的效率提升资源节约潜力。三种策略各有适用场景：自适应保真度适用于需重点刻画局部特征的场景；并行制造适合时间紧迫的多版本迭代；组件重用则在长期迭代或项目变体开发中价值显著。同时，研究也指出HP的局限性——其更适用于以形态验证、用户交互测试为主的早期设计阶段，对于后期涉及生产工艺验证的高保真原型则适用性有限。此外，当前工作聚焦于乐高与3D打印的组合，未来需扩展至其他介质对，并进一步探索HP策略与设计意图的动态匹配机制。

总之，本研究首次系统提出了混合原型的实施方法学，建立了可量化的效益评估框架，并通过工具开发与实证分析证明了HP在实际应用中的可行性。其成果不仅为工程设计与产品开发领域提供了具体的实践指南，也为跨介质原型制作的理论研究奠定了基础，对推动原型制作向高效、低碳方向发展具有重要意义。