大规模定制3D打印中的计算设计：分类、用途及展望

导读：在全球化的近几十年里，各大品牌提供为了吸引大量用户，通常会采用非通用的方法对产品进行设计，满足尽可能多的人的需求。然而，在大多数用户来看，定制产品甚至是由我们自己生产的产品具有更高的感知价值。那么，如何将定制和批量生产结合起来？



其实，使用计算设计，可以实现个性化产品大规模制造，那么什么是计算设计？它有什么好处？未来的发展方向是什么？别着急，南极熊接下来都会一一介绍。首先，然后我们看一个结合计算设计生产的产品。


△这是一双由人工智能提示制作的鞋子（从气泡的概念开始）

泡泡鞋概念
大多数孩子们都喜欢吹泡泡和穿有趣的鞋子，想象一下，让客户能够在线设计和订购一双独特的定制合脚泡泡图案鞋（如上图所示）是多么​​有吸引力！那么这种泡泡鞋是如何制作的呢？

●首先，使用简单的智能手机应用程序扫描脚部，确定鞋子的正确尺寸。
●然后，孩子用一根吸管对着电脑的麦克风吹气，在鞋子的表面形成独特的气泡设计。当吹出的噪音被记录下来时，气泡就会长大并四处移动。
●最后，一旦孩子对设计感到满意，鞋子设计模型就会被发送到大规模3D打印工厂进行制作。

什么是计算设计？


△计算机生成的形状与自然界中的形状惊人地相似

计算设计是一种计算机辅助设计（CAD）方法，使用算法和参数的组合自动计算产品的结构。它不是人工智能 (AI)，软件不会做出选择或学习，但计算设计可以利用人工智能技术和工具，例如生成算法、进化优化和机器学习，来增强设计过程并创造更高效的产品、创新和定制的解决方案。

通过计算设计，将数值添加到预定义参数中来生成模型。与传统的静态设计不同，这种计算设计是动态的，它可以通过输入新数据不断更新改变。每个新数据都可以通过在参数之间建立各种关系来影响所有其他数据。

比如，3D打印矫形支架公司 ActiveArmor，通过使用计算设计和软件公司 Twikit 的平台，输入患​​者的相关数据（包括解剖尺寸、损伤类型和医生规定的运动限制），能够生成完全定制的支架设计。


△ActiveArmor为医疗保健专业人员提供了定制3D打印支架的方法

计算设计是一个涵盖多个设计过程的总称，包括参数化设计、算法设计、生成设计和拓扑优化。虽然计算设计中的方法通常会相互融合，但它们可以分为三个主要类别：

●参数化设计。将参数链接在一起形成组或节点，当一个值改变时，会自动改变其他相关值。这样，可以在预定义的边界内快速计算设计，例如保持制造所需的尺寸。

●算法设计。施加约束，然后使用复杂的软件算法来生成设计。想象一下，您正在改变建筑物的形状，当您改变形状时，算法将自动更改建筑物立面上的面板设计和布局。

●生成式设计。在这种情况下，首先定义边界，例如自行车车轮的外缘，然后定义内部边界。然后，设计人员定义负载要求和预期的材料类型。生成软件将在这两个领域之间架起桥梁，提供一系列可能的设计结果，供您根据最坚固的形状和使用最少量的材料进行选择。

拓扑优化与生成设计属于同一类别，但并不相同。通过地形优化，还可以定义体积。然后，软件通过计算，得到可以从此体积中移除的材料。这两种方法都可以以不同的方式进行控制，但是，实际结构由软件算法决定。用于计算设计实现的技术可以产生非常复杂的形式，通常模仿自然界中发现的试错过程。


△大众汽车集团重新设计的 1962 Microbus

从历史上看，由于传统制造技术的限制，这些设计很难或不可能生产。但随着增材制造的进步，现在可以大规模生产具有高质量表面光洁度的复杂而独特的结构。它为消费品（例如消费电子产品、时尚、家居用品和家具）的计算产品设计开辟了巨大的空间和新的机会。

计算设计的常见用途


△Ocado 的杂货拣货机器人中超过一半的部件都使用3D打印进行了拓扑优化，其整体更轻，能够消耗更少的能源并降低总体成本。

如今，计算设计技术广泛应用于制造和许多消费品中。这些产品受益于参数化建模、生成设计、模拟和其他计算工具的功能。

●在机器人、汽车和航空航天应用中，计算设计可用于减少零件数量、提高强度重量比、提高导热性等。较轻的部件可减少能耗，因此使用时更便宜。

●在体育用品中，头盔等设备是使用计算工具设计的，通过根据运动优化冲击吸收并根据运动员的头部形状和尺寸定制来提高性能。

●医疗应用中的计算设计也有许多用例。内部作为骨替代物以及外部假肢和骨折治疗。在


△采用晶格结构的 3D 打印自行车组件降低了整体重量

目前有一个项目使用精密工程算法来生产自行车部件，没有使用固体金属部件，而是使用轻质网格结构来减轻重量。根据特定区域所需的应力要求，使用软件增加或减少晶格结构的厚度。自行车设计是功能驱动的机械产品的一个很好的例子，其中视觉设计也很重要。许多场驱动的晶格结构为产品设计提供了新颖且极具视觉吸引力的外观。


△通过计算机定义形状，设计家具

还有一个项目使用nTop的地形优化软件输入参数，例如家具需要承受的重量，能够找到使用最少材料的优化形状。通过使用这种工程方法，可以创建独特且不寻常的形式，这些形式既具有视觉吸引力，又具有准确的功能。理论上，自行车车架的设计可以满足个人的需求，将使用最少的材料来满足用户产生的最大力。因此，专为较轻骑手设计的自行车将需要更少的材料，从而以更低的成本、更少的浪费制造出更轻的自行车。


△GO 是一款定制的 3D 打印消费轮椅，旨在满足各种残疾人和生活方式的个人需求

计算设计与增材制造


△使用生成人工智能程序 Midjourney 进行计算设计灯罩的研究

自 20 世纪 80 年代引入 CAD 以来，增材制造给设计带来了最大的变化，为设计师提供了重新思考设计方法的机会。设计师在设计时可以不用受到生产和材料的限制。产品设计的计算实现与 3D 打印齐头并进，这是快速有效地设计独特产品并进行大规模生产的唯一方法。3D 打印机可以直接从数字文件中一次打印数十或数百个独特的零件，无需模具或工具，这是其他制造技术无法做到的。

计算设计技术可以生成非常复杂的零件。注射成型、铸造和数控铣削等传统制造在制造复杂的内部通道方面的能力极其有限。在大多数情况下，大型物品必须分成几个较小的实体以进行传统制造，然后进行组装，否则将修改设计以使其适合机械加工等技术。

计算设计的未来是什么？
在消费产品中使用计算设计是非常令人兴奋的，通过利用数据，用户有机会大规模设计单独定制的产品。借助互联网，可以从多个来源实时收集数据。用户的许多定义个性的需求、习惯和偏好都可以被捕获并用于设计产品。在产品的整个生命周期中，也可以提取显示产品的数据情况，然后不断更新和迭代，为下一次产品设计提供更多的信息。

身体扫描测量将继续成为可穿戴设备设计中的一个重要因素，特别是随着扫描技术的进步。来自环境的数据也可用于指示设计。例如，某一特定位置的天气、噪音和交通数据可用于帮助设计可持续住宅。3D 打印房屋时，可以正确放置气流管道以实现夏季自然空调，可以配置墙壁厚度以抑制噪音，还可以优化屋顶形状以适应太阳能电池板和雨水收集。

未来，或许产品可以实现产品的自动设计，以适应用户不断变化的生活方式和习惯。每天早上可以根据天气、将要行走的地形、活动水平、在日记中计划的事情以及情绪状态打印鞋子。

可以说，计算设计为产品设计过程带来了巨大的转变。除了功能优势之外，它还将带来消费者独有的全新且有趣的形式。这是一个摆脱简约、通用设计，转向个性化产品的机会。