大規(guī)模定制3D打印中的計(jì)算設(shè)計(jì)：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(huì)采用非通用的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jià)值。那么，如何將定制和批量生產(chǎn)結(jié)合起來？



其實(shí)，使用計(jì)算設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品大規(guī)模制造，那么什么是計(jì)算設(shè)計(jì)？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(huì)一一介紹。首先，然后我們看一個(gè)結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)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(jì)和訂購(gòu)一雙獨(dú)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(jiǎn)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(duì)著電腦的麥克風(fēng)吹氣，在鞋子的表面形成獨(dú)特的氣泡設(shè)計(jì)。當(dāng)吹出的噪音被記錄下來時(shí)，氣泡就會(huì)長(zhǎng)大并四處移動(dòng)。
●最后，一旦孩子對(duì)設(shè)計(jì)感到滿意，鞋子設(shè)計(jì)模型就會(huì)被發(fā)送到大規(guī)模3D打印工廠進(jìn)行制作。

什么是計(jì)算設(shè)計(jì)？


△計(jì)算機(jī)生成的形狀與自然界中的形狀驚人地相似

計(jì)算設(shè)計(jì)是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）方法，使用算法和參數(shù)的組合自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。它不是人工智能 (AI)，軟件不會(huì)做出選擇或?qū)W習(xí)，但計(jì)算設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算設(shè)計(jì)，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(jì)不同，這種計(jì)算設(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)的，它可以通過輸入新數(shù)據(jù)不斷更新改變。每個(gè)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(jì)算設(shè)計(jì)和軟件公司 Twikit 的平臺(tái)，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(yùn)動(dòng)限制），能夠生成完全定制的支架設(shè)計(jì)。


△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(jì)算設(shè)計(jì)是一個(gè)涵蓋多個(gè)設(shè)計(jì)過程的總稱，包括參數(shù)化設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、生成設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化。雖然計(jì)算設(shè)計(jì)中的方法通常會(huì)相互融合，但它們可以分為三個(gè)主要類別：

●參數(shù)化設(shè)計(jì)。將參數(shù)鏈接在一起形成組或節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)值改變時(shí)，會(huì)自動(dòng)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(jì)算設(shè)計(jì)，例如保持制造所需的尺寸。

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

●生成式設(shè)計(jì)。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(jì)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(gè)領(lǐng)域之間架起橋梁，提供一系列可能的設(shè)計(jì)結(jié)果，供您根據(jù)最堅(jiān)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(jì)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(jì)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(shí)際結(jié)構(gòu)由軟件算法決定。用于計(jì)算設(shè)計(jì)實(shí)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(cuò)過程。


△大眾汽車集團(tuán)重新設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)特的結(jié)構(gòu)。它為消費(fèi)品（例如消費(fèi)電子產(chǎn)品、時(shí)尚、家居用品和家具）的計(jì)算產(chǎn)品設(shè)計(jì)開辟了巨大的空間和新的機(jī)會(huì)。

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

●在機(jī)器人、汽車和航空航天應(yīng)用中，計(jì)算設(shè)計(jì)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(shí)更便宜。

●在體育用品中，頭盔等設(shè)備是使用計(jì)算工具設(shè)計(jì)的，通過根據(jù)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化沖擊吸收并根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(jì)算設(shè)計(jì)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(gè)項(xiàng)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(jì)是功能驅(qū)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)很好的例子，其中視覺設(shè)計(jì)也很重要。許多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的晶格結(jié)構(gòu)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀。


△通過計(jì)算機(jī)定義形狀，設(shè)計(jì)家具

還有一個(gè)項(xiàng)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(dú)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(jì)可以滿足個(gè)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(jì)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(fèi)制造出更輕的自行車。


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

計(jì)算設(shè)計(jì)與增材制造


△使用生成人工智能程序 Midjourney 進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)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(jì)帶來了最大的變化，為設(shè)計(jì)師提供了重新思考設(shè)計(jì)方法的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)可以不用受到生產(chǎn)和材料的限制。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)與 3D 打印齊頭并進(jìn)，這是快速有效地設(shè)計(jì)獨(dú)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(gè)獨(dú)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(jì)算設(shè)計(jì)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(gè)較小的實(shí)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(jì)以使其適合機(jī)械加工等技術(shù)。

計(jì)算設(shè)計(jì)的未來是什么？
在消費(fèi)產(chǎn)品中使用計(jì)算設(shè)計(jì)是非常令人興奮的，通過利用數(shù)據(jù)，用戶有機(jī)會(huì)大規(guī)模設(shè)計(jì)單獨(dú)定制的產(chǎn)品。借助互聯(lián)網(wǎng)，可以從多個(gè)來源實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)。用戶的許多定義個(gè)性的需求、習(xí)慣和偏好都可以被捕獲并用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在產(chǎn)品的整個(gè)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(jì)提供更多的信息。

身體掃描測(cè)量將繼續(xù)成為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(jì)。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(jì)可持續(xù)住宅。3D 打印房屋時(shí)，可以正確放置氣流管道以實(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)設(shè)計(jì)，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(dòng)水平、在日記中計(jì)劃的事情以及情緒狀態(tài)打印鞋子。

可以說，計(jì)算設(shè)計(jì)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程帶來了巨大的轉(zhuǎn)變。除了功能優(yōu)勢(shì)之外，它還將帶來消費(fèi)者獨(dú)有的全新且有趣的形式。這是一個(gè)擺脫簡(jiǎn)約、通用設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向個(gè)性化產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。