大規(guī)模定制3D打印中的計算設計：分類、用途及展望

導讀：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品進行設計，滿足盡可能多的人的需求。然而，在大多數(shù)用戶來看，定制產品甚至是由我們自己生產的產品具有更高的感知價值。那么，如何將定制和批量生產結合起來？



其實，使用計算設計，可以實現(xiàn)個性化產品大規(guī)模制造，那么什么是計算設計？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，然后我們看一個結合計算設計生產的產品。


△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應用程序掃描腳部，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吹氣，在鞋子的表面形成獨特的氣泡設計。當吹出的噪音被記錄下來時，氣泡就會長大并四處移動。
●最后，一旦孩子對設計感到滿意，鞋子設計模型就會被發(fā)送到大規(guī)模3D打印工廠進行制作。

什么是計算設計？


△計算機生成的形狀與自然界中的形狀驚人地相似

計算設計是一種計算機輔助設計（CAD）方法，使用算法和參數(shù)的組合自動計算產品的結構。它不是人工智能 (AI)，軟件不會做出選擇或學習，但計算設計可以利用人工智能技術和工具，例如生成算法、進化優(yōu)化和機器學習，來增強設計過程并創(chuàng)造更高效的產品、創(chuàng)新和定制的解決方案。

通過計算設計，將數(shù)值添加到預定義參數(shù)中來生成模型。與傳統(tǒng)的靜態(tài)設計不同，這種計算設計是動態(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，通過使用計算設計和軟件公司 Twikit 的平臺，輸入患​​者的相關數(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

計算設計是一個涵蓋多個設計過程的總稱，包括參數(shù)化設計、算法設計、生成設計和拓撲優(yōu)化。雖然計算設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)化設計。將參數(shù)鏈接在一起形成組或節(jié)點，當一個值改變時，會自動改變其他相關值。這樣，可以在預定義的邊界內快速計算設計，例如保持制造所需的尺寸。

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

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

拓撲優(yōu)化與生成設計屬于同一類別，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行控制，但是，實際結構由軟件算法決定。用于計算設計實現(xiàn)的技術可以產生非常復雜的形式，通常模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的試錯過程。


△大眾汽車集團重新設計的 1962 Microbus

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

計算設計的常見用途


△Ocado 的雜貨揀貨機器人中超過一半的部件都使用3D打印進行了拓撲優(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，計算設計技術廣泛應用于制造和許多消費品中。這些產品受益于參數(shù)化建模、生成設計、模擬和其他計算工具的功能。

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

●在體育用品中，頭盔等設備是使用計算工具設計的，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)療應用中的計算設計也有許多用例。內部作為骨替代物以及外部假肢和骨折治療。在


△采用晶格結構的 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自行車部件，沒有使用固體金屬部件，而是使用輕質網格結構來減輕重量。根據(jù)特定區(qū)域所需的應力要求，使用軟件增加或減少晶格結構的厚度。自行車設計是功能驅動的機械產品的一個很好的例子，其中視覺設計也很重要。許多場驅動的晶格結構為產品設計提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀。


△通過計算機定義形狀，設計家具

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，又具有準確的功能。理論上，自行車車架的設計可以滿足個人的需求，將使用最少的材料來滿足用戶產生的最大力。因此，專為較輕騎手設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

計算設計與增材制造


△使用生成人工智能程序 Midjourney 進行計算設計燈罩的研究

自 20 世紀 80 年代引入 CAD 以來，增材制造給設計帶來了最大的變化，為設計師提供了重新思考設計方法的機會。設計師在設計時可以不用受到生產和材料的限制。產品設計的計算實現(xiàn)與 3D 打印齊頭并進，這是快速有效地設計獨特產品并進行大規(guī)模生產的唯一方法。3D 打印機可以直接從數(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，這是其他制造技術無法做到的。

計算設計技術可以生成非常復雜的零件。注射成型、鑄造和數(shù)控銑削等傳統(tǒng)制造在制造復雜的內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行傳統(tǒng)制造，然后進行組裝，否則將修改設計以使其適合機械加工等技術。

計算設計的未來是什么？
在消費產品中使用計算設計是非常令人興奮的，通過利用數(shù)據(jù)，用戶有機會大規(guī)模設計單獨定制的產品。借助互聯(lián)網，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、習慣和偏好都可以被捕獲并用于設計產品。在產品的整個生命周期中，也可以提取顯示產品的數(shù)據(jù)情況，然后不斷更新和迭代，為下一次產品設計提供更多的信息。

身體掃描測量將繼續(xù)成為可穿戴設備設計中的一個重要因素，特別是隨著掃描技術的進步。來自環(huán)境的數(shù)據(jù)也可用于指示設計。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，可以配置墻壁厚度以抑制噪音，還可以優(yōu)化屋頂形狀以適應太陽能電池板和雨水收集。

未來，或許產品可以實現(xiàn)產品的自動設計，以適應用戶不斷變化的生活方式和習慣。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，計算設計為產品設計過程帶來了巨大的轉變。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、通用設計，轉向個性化產品的機會。