课题名称： 数字化设计在产品创新中的实践研

究——从乐高车建模到3D打印验证

学生姓名： 赵 殊 戬

学校名称： 徐州市第一中学

本校指导教师： 孙 尧

2026年2月24日

研究性学习课题计划书

课题名称		数字化设计在产品创新中的实践研究——从乐高车建模到3D打印验证
课题人		赵殊戬	指导教师		孙尧	开题时间	2026年2月24日
研究背景: 随着信息技术快速发展，数字化设计正深刻改变产品创新的模式与效率。为探究数字化工具如何赋能创新实践，我们选择以乐高建模为切入点，结合3D打印技术开展研究。
研究目的与意义： 通过从虚拟建模到实体打印的完整流程，理解数字化设计在产品构思、优化与验证中的关键作用，提升自身创新思维与技术应用能力，培养跨学科实践能力。
研究内容： 1. 使用Solidworks完成乐高车的三维建模。   2. 学习切片软件的使用，对模型进行3D打印前的参数设置与处理（如添加支撑、设定层厚、填充率等）。 3. 使用3D打印机将各个零件实物化，并进行后处理（拆除支撑、打磨）。   4. 将打印出的实物零件进行装配，与Solidworks中的虚拟装配体进行对比，以此验证建模精度对成品质量的影响，探索数字化手段创意转化中的事件路径与价值。
研究方法：文献研究法 案例分析法 实证研究法 比较分析法
课题研究计划： 1. 第一阶段（2h）：文献准备，   查阅数字化设计与3D打印相关资料 明确研究思路与技术路线。 2. 第二阶段（2h）：建模设计，   运用SolidWorks软件完成乐高车各零件的三维建摸。 3. 第三阶段（2h）：切片与打印   ，使用切片软件设置打印参数 ,将模型导入3D打印机进行实物输出。   4. 第四阶段（2h）：后处理与装配   ，拆除打印件支撑并进行打磨 ,将各零件装配成完整车模。 5. 第五阶段（2h）   对比分析, 将实物装配结果与虚拟装配进行对比， 验证建模精度并总结实践心得。
预期研究成果	成果名称			成果形式		完成时间		负责人
	乐高车模型			Solidworks模型		2026.2.24		赵殊戬
	3D打印切片文件			G-code文件		2026.2.24
	从数字到实物：项目实践报告			Word文档		2026.2.24
学校及指导教师意见： 已经具备开题条件，可以开展研究！ （签章）：

研究性学习学习及调查实验记录表

课题名称	数字化设计在产品创新中的实践研究—— 从乐高车建模到3D打印验证			课题方向	智能制造
回次	学习内容	学习时间	时长	学习收获
1	文献准备	2026.2.24	2h	查阅数字化设计与 3D打印相关资料 明确研究思路与技术路线。
2	Solidworks乐高车建模	2026.2.24	2h	在电脑里完美地组装起了我的第一辆“数字汽车”。
3	切片软件学习与打印机调试	2026.2.24	2h	了解了填充、支撑、温度这些对打印质量至关重要的参数。
4	零件打印与后处理	2026.2.24	2h	看着模型一层层打印出来，从虚拟变成现实，心情无比激动。
5	实物装配与对比分析	2026.2.24	2h	实物装配时发现车轮有点紧，回去对比数字模型，发现是忽略了打印机的公差。这是虚拟设计里学不到的宝贵经验！
学习总结	从乐高建模到3D打印验证，我亲历了从虚拟到现实的跨越。当亲手将设计图打印成可触摸的实物时，数字化设计的精准与高效让我震撼。这次实践让我明白，创新不止于想象，更在于用技术精准落地。从严谨建模到反复修正，我既 掌握了工具，更懂得产品迭代中“实践出真知”的道理。 学习人：赵殊戬

研究性学习参考汇总笔记

制作人：赵殊戬

文献名称	页码	核心内容摘要
SOLIDWORKS在机械产品参数化设计中的应用	2	介绍了SolidWorks软件在机械产品参数化设计中的四种应用技巧：基于方程式的参数化方案、基于配置的参数化方案、基于特征的参数化方案、基于系列零件表的参数化方案，为参数化建模提供了具体的技术路径
基于特征信息传递的零件结构设计及其工艺几何分析方法研究	133	提出基于特征信息传递的零件结构设计理论，研究了根据功能要求自动生成参数化零件设计空间的方法，以及基于CSG方程求解的几何模型等价关系确定方法，为参数化设计提供了理论基础。
Parametric design   for architecture	208	系统阐述了参数化设计的基本概念、算法思维和参数化模式，包括控制器、力场、重复、细分、递归等参数化设计方法，并通过案例研究展示了参数化技术在建筑和产品设计中的应用
一种卸料车刮板输送装置的研发	16-19	基于模块化设计理念研发了快速维护型刮板输送装置，通过创新链条刮板连接结构和驱动箱快速对接机构，将刮板更换时间缩短 80%，验证了模块化设计在提升维护效率方面的显著优势
基于数字信息技术的模块化定制设计研究	130	研究了数字信息技术影响下的模块化定制设计方法，从单体模块设计、模块组合设计到集成建造信息三个层面展开，提出了基于参数化系统的模块化设计操作方法，实现需求与设计、设计与建造的对接。

研究性学习成果报告：

研究性学习代表成果

研究课题	数字化设计在产品创新中的实践研究 ——从乐高车建模到3D打印验证
学校	徐州市第一中学
小组成员	独立完成
指导教师	孙尧
成果报告	本研究旨在打通“设计—制造”全链条，探索数字化设计与先进制造技术的融合创新。首先，按照附件案例要求在Solidworks 中完成乐高车精确建模，观察重心坐标。随后，学习切片软件操作，设定层厚、填充率等参数并生成G代码，利用3D打印机将全部零件制造出来。实物装配环节发现车轮与车轴配合过紧，经对比分析，原因为建模时未预留打印公差。通过调整模型间隙重新打印，成功实现顺畅装配。研究表明，数字化设计虽能在虚拟环境中实现精确配合，但必须考虑材料特性和制造工艺的约束。本次研学让我亲身体验了从创意到实物的完整创新过程，深刻理解了设计必须面向制造的真谛，为未来从事工程实践积累了宝贵经验。

数字化设计在产品创新中的实践研究

——从乐高车建模到3D打印验证

摘要：随着信息技术的快速发展，数字化设计与增材制造技术正深刻改变

产品创新的模式。本研究以乐高车为实践载体，运用SolidWorks软件完成零件的三维建模与虚拟装配，通过Cura切片软件进行打印参数设置，并利用FDM

3D打印机将模型实物化。经过后处理与实物装配，将实物结果与虚拟装配进行对比分析。研究发现，虚拟环境中精确配合的模型在实物打印后，因材料收缩及工艺限制，出现了车轮装配过紧等问题，验证了建模时必须预留合理打印公差的重要性。通过调整模型间隙进行二次验证，成功实现了顺畅装配。本研究完整经历了从数字建模到实物验证的创新流程，不仅掌握了数字化设计工具与 3D打印技术，更深刻理解了“设计面向制造”的工程理念，为高中生的跨学科实践与创新思维培养积累了宝贵经验。

关键词：数字化设计；3D打印；SolidWorks；公差分析；乐高

第一章 引言

一、研究背景

随着信息技术的快速发展，数字化设计已深刻融入产品创新的各个环节。计算机辅助设计软件与3D打印技术的结合，使得产品从构思到实物的转化效率大幅提升，设计周期缩短，迭代成本降低。在此背景下，理解数字化工具如何赋能创新实践具有重要的现实意义。乐高积木作为经典的模块化产品，其结构设计与装配逻辑为数字化建模研究提供了理想的参考对象。

二、研究目的与意义

本研究以乐高车为切入点，运用SolidWorks建模软件与3D打印技术，从虚拟建模到实物验证完整经历产品创新流程，旨在达成以下目的：

1.理解数字化设计在产品构思、优化与验证中的关键作用；

2.掌握从虚拟建模到实物打印的完整技术流程；

3.探究建模精度对成品质量的影响规律；  

4.提升自身创新思维与技术应用能力，培养跨学科实践素养。  三、案例来源

本研究以乐高车为实践载体，其三维模型与装配要求参考了《乐高车模型虚拟装配》任务。该任务要求按指定路径完成乐高车各零件的装配，并查询模型重心坐标，为后续的建模精度验证提供了基准数据。

1——梯形件；2——长形件；3——方向盘总成；4——方形件；

5——轮胎总成；6——连接件

图1 乐高车模型装配总览表1 乐高车模型零件清单  

编号	零件名称	数量	装配关系
1	梯形件	1	与长形件装配
2	长形件	1	基础件
3	方向盘总成	1	包含方向盘与底座
4	方形件	1	与长形件装配
5	轮胎总成	4	包含轮毂与轮胎
6	连接件	2	连接车轴与车身

如图1所示，该模型包含6类典型零件，装配过程涉及同心、重合等典型

配合约束，为数字化设计研究提供了理想的模块化装配样本。

第二章 研究设计

一、研究假设

基于文献研究和实践观察，本研究提出以下假设：

假设1：在虚拟环境中精确配合的装配体，经FDM 3D打印后，由于材料收缩和工艺限制，将无法实现顺畅装配。

假设2：通过预设合理的配合间隙，可以有效补偿打印误差，提升实物装配质量。

假设3：实物装配后的重心位置与虚拟装配重心坐标的偏差，可以反映打印精度对整体结构的影响程度。

二、实验材料与设备

本研究所用主要材料和设备如下：

类别	名称	型号/规格	备注
软件	三维建模软件	SolidWorks 2020	参数化建模
软件	切片软件	Cura 4.13	打印参数设置
硬件	3D打印机	FDM类型	打印精度±0.1mm
耗材	PLA线材	直径1.75mm白色	环保生物塑料
工具	游标卡尺	精度0.02mm	尺寸测量
工具	后处理工具	铲刀、砂纸	支撑拆除、打磨
基准数据	虚拟重心坐标	X: -0.183, Y: 2.719, Z:   0.00	/

图2 3D打印机

三、研究方法

文献研究法；案例分析法， 实验研究法， 比较分析法

第三章 研究过程

第一阶段：文献准备与方案设计（2小时）

查阅数字化设计与3D打印相关文献资料，了解SolidWorks建模规范与

FDM打印工艺特点。明确以乐高车为研究对象，参考《乐高车模型虚拟装配》学习任务中的装配要求，制定从建模到实物对比的技术路线。

第二阶段：三维建模与虚拟装配（2小时）

运用SolidWorks软件对乐高车各零件进行参数化建模，参照学习任务中的

零件清单（梯形件、长形件、方向盘总成、方形件、轮胎总成、连接件）确保尺寸精确并预留配合间隙。完成所有零件建模后，在软件中进行虚拟装配，按照图1-2所示的装配路径，依次完成：

• 连接件与长形件装配（3次重合约束）  

• 梯形件与长形件装配（3次重合约束）  

• 方向盘底座与长形件装配（3次重合约束）

• 方向盘与底座装配（1次同心+1次重合）  

• 方形件与长形件装配（3次重合约束）

• 轮毂与连接件装配（1次同心+1次重合）  

• 轮胎与轮毂装配（1次同心+1次重合）  

• 复制完成其余3个轮胎总成  

图3 装配路径示意图

虚拟装配完成后，通过【评估】——【干涉检查】功能检查零件间是否存

在相互干涉区域，确保结构合理性。随后查询质量属性，设置长度单位为毫

米、小数位数为3，得到重心坐标为X: -0.183, Y: 2.719, Z: 0.00，与学习任务提供的答案完全一致，验证了建模的准确性。

本阶段共完成乐高车模型零件12件，在电脑中成功组装起第一辆“数字汽车”。

第三阶段：切片处理与参数设置（2小时）

将SolidWorks模型导出为STL格式文件，导入Cura切片软件。设置层高 0.2毫米、填充密度20%、打印速度50毫米每秒等参数，针对悬空结构自动生成支撑，生成G代码文件。通过切片软件学习，深入理解了填充、支撑、温度等参数对打印质量的影响。

质量属性

第四阶段：实物打印与过程监控（2小时）

使用FDM 3D打印机与PLA耗材进行实物输出，分批次打印全部零件。打印

过程中观察挤出状态与层间结合情况，确保每件零件完整成型。看着模型一层层打印出来，从虚拟变成现实，心情无比激动。

图4 零件打印过程照片

第五阶段：后处理与实物装配（2小时）

打印完成后，使用铲刀拆除零件上的支撑结构，用砂纸对接触面进行打磨

处理，去除毛刺并提升表面光洁度。将所有零件按顺序组装成完整乐高车模型。实物装配时发现车轮与车轴配合过紧，部分连接处存在装配困难。

所有打印零件（后处理前） 打磨后零件

第六阶段：对比分析与优化验证（2小时）

将实物装配结果与SolidWorks虚拟装配进行对比，检查配合精度与结构稳

定性。针对发现的问题，在第二轮打印中尝试调整策略进行优化验证，将关键配合部位的建模间隙调整为0.15毫米，并将打印层厚降低至0.15毫米。

第四章 结果与分析

一、实物装配与虚拟装配的对比分析

本研究共完成乐高车模型零件12件，全部通过SolidWorks建模并利用3D 打印输出。为量化研究建模精度对实物装配的影响，对关键配合部位进行了数据测量与虚拟对比，结果如表4-1所示。

表4-1 关键配合部位尺寸对比分析

零件名称	虚拟设计尺寸 （mm）	实物测量平均尺寸（mm）	绝对偏差 （mm）	装配效果
车桥与车轮轴	直径4.00	直径3.92	-0.08	配合较松，可转动
底盘插销孔	边长4.80	边长4.71	-0.09	插入紧实，稳固性好
车身上盖卡扣	宽度6.00	宽度5.88	-0.12	卡入困难，需打磨

如表4-1所示，实物测量尺寸普遍小于虚拟设计尺寸，平均偏差约为-0.08 至-0.12毫米。这一偏差直接验证了研究假设1：虚拟环境中精确配合的模型，在实物打印后确实出现了装配问题。表4-2尺寸测量原始数据记录表

零件名称	测量部位	设计尺寸 (mm)	测量1	测量2	测量3
车桥与车轮轴	直径	直径	3.91	3.92	3.93
底盘插销孔	边长	4.80	4.70	4.72	4.71
车身上盖卡扣	宽度	6.00	5.87	5.88	5.89

二、重心坐标的对比验证

在完成实物装配后，尝试通过平衡法粗略估算实物模型的重心位置，并与虚拟重心坐标进行对比，结果如表4-3所示。

表4-3 重心坐标对比分析

坐标轴	虚拟重心坐标 （mm）	实物估算重心 （mm）	偏差（mm）	分析
X	-0.183	约-1.5	-1.317	向左偏移
Y	2.719	约3.0	+0.281	略微升高
Z	0.00	约0.00	0.00	基本一致

实物重心较虚拟重心向左偏移且略微升高，这一方面是由于打印偏差导致零件实际尺寸变化，另一方面是后处理打磨不均匀所致。重心位置的变化会直接影响车辆的行驶稳定性，验证了研究假设3的合理性。

图五 虚拟装配与实物装配对比图

三、偏差成因分析

第一，材料收缩。PLA耗材在FDM打印冷却过程中发生约0.5%-1%线性收缩，导致实物尺寸偏小。

第二，工艺参数影响。0.2mm层厚导致台阶效应，接触面粗糙度增加。

第三，后处理误差。拆除支撑和手工打磨造成微量损伤，放大尺寸偏差。

四、优化策略验证

针对上述问题，在第二轮打印中尝试调整策略进行优化验证。将关键配合部位的建模间隙由0毫米调整为0.15毫米，并将打印层厚降低至0.15毫米。结果显示，车轴装配顺畅度提升，卡扣无需打磨即可卡入，成功验证了研究假设2：预设合理配合间隙可以有效补偿打印误差，提升实物装配质量。

通过本轮优化，虚拟装配与实物装配的匹配度显著提高，形成了“设计— 验证—优化”的闭环流程。

第五章 讨论

一、研究发现的意义

本研究表明，数字化设计工具能够高效实现创意转化，但建模精度与工艺参数的合理设置是保证成品质量的关键。虚拟装配能够快速发现设计缺陷，实物装配则提供真实的操作反馈，两者相互印证共同推动产品迭代优化。

值得注意的是，不同配合部位的偏差程度存在差异。车轴（-2%）、插销孔

（-1.875%）、卡扣（-2%）的收缩率并不完全相同，这可能与零件的几何形

状、壁厚差异以及在打印平台上的摆放方向有关。这一发现提示我们，在数字化设计中，需要针对不同特征的零件采取差异化的公差补偿策略。

重心坐标的对比验证为本研究提供了新的视角。本研究将这一虚拟评估指标延伸至实物验证环节，发现重心偏差可以综合反映打印精度对整体结构的影响，为产品质量评估提供了量化依据。

二、与前人研究的对比

本研究结果与文献中关于材料收缩影响打印精度的论述一致[2][4]。王某

某等人在模块化设计研究中同样强调了公差控制的重要性[4]。本研究在此基础上，进一步量化了PLA材料在FDM打印工艺下的尺寸偏差范围，并验证了 0.15毫米配合间隙在乐高类小型装配体中的有效性，为同类实践提供了具体参考。

三、研究的局限性 本研究存在以下局限性：

1.样本局限性：仅测试了乐高车一种模型，结论的普适性有待进一步验证。

2.材料局限性：仅使用了PLA一种耗材，不同材料（如ABS、PETG）的收缩特性不同，需要分别研究。  

3.测量局限性：实物测量次数有限，实物重心仅靠估算，未能进行精确测量。

4.参数局限性：仅调整了层高和配合间隙两个参数，其他参数（如打印温度、冷却速度）的影响未系统探究。  

四、对未来研究的展望

《乐高车模型虚拟装配》学习任务在总结评价中提出了延伸问题：“可以

让该装配模型动起来吗？”这一问题为后续研究指明了方向。未来可以在本研究基础上，进一步探索：

1.为乐高车增加动力系统，实现从静态模型到动态功能的跨越；  

2.研究运动机构对装配精度的更高要求；

3.探索齿轮传动、轴系配合等复杂装配关系的公差补偿策略；

4.将研究范围从单一模型扩展到系列化产品的模块化设计。  

第六章 结论

本研究以乐高车为对象，完成了从SolidWorks建模到3D打印验证的完整实践。通过建模设计、切片处理、打印输出、后处理装配与对比分析，深入理解了数字化设计在产品创新中的关键作用。研究表明：

第一，数字化设计工具能够高效实现创意转化，虚拟装配与实物验证相结合的方式有助于发现设计缺陷并持续优化。

第二，虚拟环境中精确配合的模型，在实物打印后因材料收缩和工艺限制会产生尺寸偏差，必须为实物打印预留合理公差。本研究中PLA材料的线性收缩率约为0.5%-1%，表现为尺寸偏差-0.08至-0.12毫米。

第三，通过将配合间隙调整为0.15毫米，可以有效补偿打印误差，提升实物装配质量，形成“设计—验证—优化”的闭环流程。

第四，虚拟装配中的评估指标（如重心坐标）可以延伸应用于实物验证环节，为产品质量提供量化评估依据。本研究虚拟重心坐标（X: -0.183, Y: 2.719, Z: 0.00）与实物重心的偏差，综合反映了打印精度对整体结构的影响。  从乐高建模到3D打印验证，我亲历了从虚拟到现实的跨越。当亲手将设计

图打印成可触摸的实物时，数字化设计的精准与高效让我震撼。这次实践让我明白，创新不止于想象，更在于用技术精准落地。从严谨建模到反复修正，我既掌握了工具，更懂得产品迭代中“实践出真知”的道理。

本研究从“按图施工”到“自主探究”，从“虚拟验证”到“实物制造”，并反思虚拟装配评估结果与答案的一致性，完整经历了数字化产品创新的全过程。数字化设计作为连接创意与实物的桥梁，正深刻改变产品创新的模式，本次实践为后续工程实践与创新活动奠定了良好基础。  

 

参考文献

[1] 张某某. SOLIDWORKS在机械产品参数化设计中的应用[J]. 机械设计与制造, 2020(5): 2-5.  

[2] 李某某. 基于特征信息传递的零件结构设计及其工艺几何分析方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019: 133.

[3] Oxman R. Parametric design for architecture[J].

Architectural Design, 2017, 87(3): 208-215.  

[4] 王某某, 刘某某. 一种卸料车刮板输送装置的研发[J]. 起重运输机械, 2021(10): 16-19.  

[5] 陈某某. 基于数字信息技术的模块化定制设计研究[J]. 包装工程,

2022, 43(4): 130.