大規(guī)模定制3D打印中的計算設(shè)計：分類,、用途及展望

導(dǎo)讀：在全球化的近幾十年里,，各大品牌提供為了吸引大量用戶,，通常會采用非通用的方法對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計,，滿足盡可能多的人的需求,。然而,，在大多數(shù)用戶來看,，定制產(chǎn)品甚至是由我們自己生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更高的感知價值。那么,，如何將定制和批量生產(chǎn)結(jié)合起來,？



其實，使用計算設(shè)計,，可以實現(xiàn)個性化產(chǎn)品大規(guī)模制造,，那么什么是計算設(shè)計？它有什么好處,？未來的發(fā)展方向是什么,？別著急，南極熊接下來都會一一介紹,。首先,，然后我們看一個結(jié)合計算設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)品。


△這是一雙由人工智能提示制作的鞋子（從氣泡的概念開始）

泡泡鞋概念
大多數(shù)孩子們都喜歡吹泡泡和穿有趣的鞋子，想象一下,，讓客戶能夠在線設(shè)計和訂購一雙獨特的定制合腳泡泡圖案鞋（如上圖所示）是多么​​有吸引力,！那么這種泡泡鞋是如何制作的呢？

●首先,，使用簡單的智能手機(jī)應(yīng)用程序掃描腳部,，確定鞋子的正確尺寸。
●然后,，孩子用一根吸管對著電腦的麥克風(fēng)吹氣,，在鞋子的表面形成獨特的氣泡設(shè)計。當(dāng)吹出的噪音被記錄下來時,，氣泡就會長大并四處移動,。
●最后，一旦孩子對設(shè)計感到滿意,，鞋子設(shè)計模型就會被發(fā)送到大規(guī)模3D打印工廠進(jìn)行制作,。

什么是計算設(shè)計？


△計算機(jī)生成的形狀與自然界中的形狀驚人地相似

計算設(shè)計是一種計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）方法,，使用算法和參數(shù)的組合自動計算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),。它不是人工智能 (AI)，軟件不會做出選擇或?qū)W習(xí),，但計算設(shè)計可以利用人工智能技術(shù)和工具,，例如生成算法、進(jìn)化優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí),，來增強(qiáng)設(shè)計過程并創(chuàng)造更高效的產(chǎn)品,、創(chuàng)新和定制的解決方案。

通過計算設(shè)計,，將數(shù)值添加到預(yù)定義參數(shù)中來生成模型,。與傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計不同，這種計算設(shè)計是動態(tài)的,，它可以通過輸入新數(shù)據(jù)不斷更新改變,。每個新數(shù)據(jù)都可以通過在參數(shù)之間建立各種關(guān)系來影響所有其他數(shù)據(jù)。

比如,，3D打印矯形支架公司 ActiveArmor,，通過使用計算設(shè)計和軟件公司 Twikit 的平臺，輸入患​​者的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括解剖尺寸,、損傷類型和醫(yī)生規(guī)定的運動限制）,，能夠生成完全定制的支架設(shè)計。


△ActiveArmor為醫(yī)療保健專業(yè)人員提供了定制3D打印支架的方法

計算設(shè)計是一個涵蓋多個設(shè)計過程的總稱,，包括參數(shù)化設(shè)計,、算法設(shè)計,、生成設(shè)計和拓?fù)鋬?yōu)化。雖然計算設(shè)計中的方法通常會相互融合,，但它們可以分為三個主要類別：

●參數(shù)化設(shè)計,。將參數(shù)鏈接在一起形成組或節(jié)點，當(dāng)一個值改變時,，會自動改變其他相關(guān)值,。這樣，可以在預(yù)定義的邊界內(nèi)快速計算設(shè)計,，例如保持制造所需的尺寸,。

●算法設(shè)計。施加約束,，然后使用復(fù)雜的軟件算法來生成設(shè)計,。想象一下，您正在改變建筑物的形狀,，當(dāng)您改變形狀時,，算法將自動更改建筑物立面上的面板設(shè)計和布局。

●生成式設(shè)計,。在這種情況下,，首先定義邊界，例如自行車車輪的外緣,，然后定義內(nèi)部邊界,。然后，設(shè)計人員定義負(fù)載要求和預(yù)期的材料類型,。生成軟件將在這兩個領(lǐng)域之間架起橋梁,，提供一系列可能的設(shè)計結(jié)果，供您根據(jù)最堅固的形狀和使用最少量的材料進(jìn)行選擇,。

拓?fù)鋬?yōu)化與生成設(shè)計屬于同一類別,，但并不相同。通過地形優(yōu)化,，還可以定義體積,。然后,，軟件通過計算,，得到可以從此體積中移除的材料。這兩種方法都可以以不同的方式進(jìn)行控制,，但是,，實際結(jié)構(gòu)由軟件算法決定。用于計算設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)可以產(chǎn)生非常復(fù)雜的形式,，通常模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的試錯過程,。


△大眾汽車集團(tuán)重新設(shè)計的 1962 Microbus

從歷史上看,，由于傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，這些設(shè)計很難或不可能生產(chǎn),。但隨著增材制造的進(jìn)步,，現(xiàn)在可以大規(guī)模生產(chǎn)具有高質(zhì)量表面光潔度的復(fù)雜而獨特的結(jié)構(gòu)。它為消費品（例如消費電子產(chǎn)品,、時尚,、家居用品和家具）的計算產(chǎn)品設(shè)計開辟了巨大的空間和新的機(jī)會。

計算設(shè)計的常見用途


△Ocado 的雜貨揀貨機(jī)器人中超過一半的部件都使用3D打印進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,，其整體更輕,，能夠消耗更少的能源并降低總體成本。

如今,，計算設(shè)計技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造和許多消費品中,。這些產(chǎn)品受益于參數(shù)化建模、生成設(shè)計,、模擬和其他計算工具的功能,。

●在機(jī)器人、汽車和航空航天應(yīng)用中,，計算設(shè)計可用于減少零件數(shù)量,、提高強(qiáng)度重量比、提高導(dǎo)熱性等,。較輕的部件可減少能耗,，因此使用時更便宜。

●在體育用品中,，頭盔等設(shè)備是使用計算工具設(shè)計的,，通過根據(jù)運動優(yōu)化沖擊吸收并根據(jù)運動員的頭部形狀和尺寸定制來提高性能。

●醫(yī)療應(yīng)用中的計算設(shè)計也有許多用例,。內(nèi)部作為骨替代物以及外部假肢和骨折治療,。在


△采用晶格結(jié)構(gòu)的 3D 打印自行車組件降低了整體重量

目前有一個項目使用精密工程算法來生產(chǎn)自行車部件，沒有使用固體金屬部件,，而是使用輕質(zhì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來減輕重量,。根據(jù)特定區(qū)域所需的應(yīng)力要求，使用軟件增加或減少晶格結(jié)構(gòu)的厚度,。自行車設(shè)計是功能驅(qū)動的機(jī)械產(chǎn)品的一個很好的例子,，其中視覺設(shè)計也很重要。許多場驅(qū)動的晶格結(jié)構(gòu)為產(chǎn)品設(shè)計提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀,。


△通過計算機(jī)定義形狀,，設(shè)計家具

還有一個項目使用nTop的地形優(yōu)化軟件輸入?yún)��?shù)，例如家具需要承受的重量,，能夠找到使用最少材料的優(yōu)化形狀,。通過使用這種工程方法,，可以創(chuàng)建獨特且不尋常的形式，這些形式既具有視覺吸引力,，又具有準(zhǔn)確的功能,。理論上，自行車車架的設(shè)計可以滿足個人的需求,，將使用最少的材料來滿足用戶產(chǎn)生的最大力,。因此，專為較輕騎手設(shè)計的自行車將需要更少的材料,，從而以更低的成本,、更少的浪費制造出更輕的自行車。


△GO 是一款定制的 3D 打印消費輪椅,，旨在滿足各種殘疾人和生活方式的個人需求

計算設(shè)計與增材制造


△使用生成人工智能程序 Midjourney 進(jìn)行計算設(shè)計燈罩的研究

自 20 世紀(jì) 80 年代引入 CAD 以來,，增材制造給設(shè)計帶來了最大的變化，為設(shè)計師提供了重新思考設(shè)計方法的機(jī)會,。設(shè)計師在設(shè)計時可以不用受到生產(chǎn)和材料的限制,。產(chǎn)品設(shè)計的計算實現(xiàn)與 3D 打印齊頭并進(jìn)，這是快速有效地設(shè)計獨特產(chǎn)品并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的唯一方法,。3D 打印機(jī)可以直接從數(shù)字文件中一次打印數(shù)十或數(shù)百個獨特的零件,，無需模具或工具，這是其他制造技術(shù)無法做到的,。

計算設(shè)計技術(shù)可以生成非常復(fù)雜的零件,。注射成型、鑄造和數(shù)控銑削等傳統(tǒng)制造在制造復(fù)雜的內(nèi)部通道方面的能力極其有限,。在大多數(shù)情況下,，大型物品必須分成幾個較小的實體以進(jìn)行傳統(tǒng)制造，然后進(jìn)行組裝,，否則將修改設(shè)計以使其適合機(jī)械加工等技術(shù),。

計算設(shè)計的未來是什么？
在消費產(chǎn)品中使用計算設(shè)計是非常令人興奮的,，通過利用數(shù)據(jù),，用戶有機(jī)會大規(guī)模設(shè)計單獨定制的產(chǎn)品。借助互聯(lián)網(wǎng),，可以從多個來源實時收集數(shù)據(jù),。用戶的許多定義個性的需求、習(xí)慣和偏好都可以被捕獲并用于設(shè)計產(chǎn)品,。在產(chǎn)品的整個生命周期中,，也可以提取顯示產(chǎn)品的數(shù)據(jù)情況,，然后不斷更新和迭代,，為下一次產(chǎn)品設(shè)計提供更多的信息,。

身體掃描測量將繼續(xù)成為可穿戴設(shè)備設(shè)計中的一個重要因素，特別是隨著掃描技術(shù)的進(jìn)步,。來自環(huán)境的數(shù)據(jù)也可用于指示設(shè)計,。例如，某一特定位置的天氣,、噪音和交通數(shù)據(jù)可用于幫助設(shè)計可持續(xù)住宅,。3D 打印房屋時，可以正確放置氣流管道以實現(xiàn)夏季自然空調(diào),，可以配置墻壁厚度以抑制噪音,，還可以優(yōu)化屋頂形狀以適應(yīng)太陽能電池板和雨水收集。

未來,，或許產(chǎn)品可以實現(xiàn)產(chǎn)品的自動設(shè)計,，以適應(yīng)用戶不斷變化的生活方式和習(xí)慣。每天早上可以根據(jù)天氣,、將要行走的地形,、活動水平、在日記中計劃的事情以及情緒狀態(tài)打印鞋子,。

可以說,，計算設(shè)計為產(chǎn)品設(shè)計過程帶來了巨大的轉(zhuǎn)變。除了功能優(yōu)勢之外,，它還將帶來消費者獨有的全新且有趣的形式,。這是一個擺脫簡約、通用設(shè)計,，轉(zhuǎn)向個性化產(chǎn)品的機(jī)會,。