3D打印融合計算設計，引領大規(guī)模定制產(chǎn)品制造

在近幾十年的全球化進程中，品牌商通過非常通用的產(chǎn)品設計，提供滿足盡可能多的全球消費者需求的商品。（比如宜家家居的家具或H&M的服裝。）

然而，定制制造的產(chǎn)品，甚至是我們親手制作的產(chǎn)品，往往被賦予更高的感知價值。（想象一下你或你的孩子多年后仍然珍愛的手工制作的杯子。）

如果我們可以將定制和批量生產(chǎn)結合起來怎么辦？使用人工智能和算法軟件，可以大規(guī)模實現(xiàn)個性化的概念。讓我們看一個例子：

△這個展示項目是使用人工智能提示制作的，從氣泡的概念開始（來源：Nik Lee）

泡泡鞋概念

孩子們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。

首先，他們會使用簡單的智能手機應用程序掃描腳部，以便將鞋子制成正確的尺寸。隨后，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。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 打印過程。

計算設計軟件將使這一概念成為可能。讓我們來看看這項技術到底是什么。

什么是計算設計？

△計算機生成的形狀與自然界中發(fā)現(xiàn)的形狀驚人地相似（來源：Nik Lee）

計算設計是一種計算機輔助設計（CAD）方法，它使用算法和參數(shù)的組合來自動計算產(chǎn)品的結構。它不是人工智能 (AI)，因為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(chǎn)品、創(chuàng)新和定制的解決方案。

通過計算設計，通過將數(shù)值添加到預定義參數(shù)來生成模型。設計師不繪制或應用形狀。與傳統(tǒng)的靜態(tài)設計不同，計算設計是流動的和動態(tài)的，這意味著它可以通過輸入新數(shù)據(jù)不斷改變。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)。

我們已經(jīng)在實踐中看到了這一點。再看看3D 打印矯形支架公司 ActiveArmor：該公司通過使用計算設計和軟件公司 Twikit 的平臺，輸入患者數(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，以生成完全定制的支架設計，比為個人手工設計要快得多的過程。

△ActiveArmor 為醫(yī)療保健專業(yè)人員提供了一種訂購適合每位患者生物識別數(shù)據(jù)和治療計劃的定制 3D 打印支架的方法（來源：ActiveArmor）

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。盡管計算設計中的方法相互融合，但它們可以分為三個主要類別：

• 參數(shù)化設計是指將參數(shù)鏈接在一起形成組或節(jié)點。當一個值改變時，它會自動改變其他相關值。這樣，可以在預定義的邊界內(nèi)快速計算設計，例如保持制造所需的尺寸。
• 算法設計比這更進一步。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。
• 生成式設計比人工智能設計更進一步。在這種情況下，您首先定義邊界，例如自行車車輪的外緣，然后定義內(nèi)部邊界，在本例中是車軸。然后，您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，供用戶根據(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，您還可以定義體積。然后，軟件計算可以從此體積中移除的材料。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(chǎn)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（來源：大眾汽車）

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(chǎn)。但隨著增材制造的進步，現(xiàn)在可以大規(guī)模生產(chǎn)具有高質(zhì)量表面光潔度的復雜而獨特的結構。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)品設計開辟了巨大的空間和新的機會。

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(chǎn)。但隨著增材制造的進步，現(xiàn)在可以大規(guī)模生產(chǎn)具有高質(zhì)量表面光潔度的復雜而獨特的結構。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針對 3D 打印進行了拓撲優(yōu)化，使其整體更輕，從而消耗更少的能源并降低總體成本。3D 打印還使得在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)它們變得更加容易（來源：Ocado Group）

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(chǎn)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。

計算設計在醫(yī)學應用中有很多用途。例如，可以用于內(nèi)部的骨骼替代品和外部的假肢以及骨折治療。在所有這些情況下，當身體部位的大小和形狀可以驅動設計時，這是非常有益的。

△采用晶格結構的 3D 打印自行車組件降低了整體重量（來源：Nik Lee）

專注于增材制造消費品計算設計的DesignFAM公司目前正在進行的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(chǎn)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(chǎn)品設計提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀。

△這項研究探討了如果讓計算機使用地形優(yōu)化來定義形狀，家具會是什么樣子（來源：Nik Lee）

DesignFAM與 3D 打印機制造商 BigRep 合作的另一個項目是一項概念研究（如上圖所示），目的是看看如果我們讓計算機定義形狀，家具會是什么樣子。通過使用nTop的地形優(yōu)化軟件輸入?yún)��?shù)，例如家具需要承受的重量，以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。它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。

我們在新的Posedla 自行車鞍座中看到了類似的東西。顧客坐在Smiling臀部套件中，拍攝印記照片并將其上傳至在線配置器。然后，算法使用掃描數(shù)據(jù)和客戶數(shù)據(jù)來設計鞍座剛度、形狀和壓力區(qū)域。

△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（來源：Layer）

形式、功能和質(zhì)地

下圖顯示了一項研究，研究算法如何通過對軟件進行編程來模擬隨時間的增長而創(chuàng)建獨特的圖案和紋理。這些模擬創(chuàng)建了自然界中發(fā)現(xiàn)的模式的數(shù)字復制。這種方法所生成的每種產(chǎn)品都可能略有不同，類似于皮革或木材的微妙獨特性。

△使用模擬有機生長的設計算法設置生成的紋理示例可應用于定制產(chǎn)品，例如燈具或家具（來源：Nik Lee）

人造材料如塑料制成的產(chǎn)品之一的問題在于它們看起來非常普通。人們傾向于與獨特的事物建立更緊密的聯(lián)系。這是天然材料看起來和感覺如此出色的部分原因。像大理石這樣的材料具有巨大的不規(guī)則性 - 每個部分都有一個原始的圖案，因此是獨一無二的 - 這被視為使用該材料的價值。

當用算法設計一個3D打印物體時，每個部分都可以不同，那么為什么不進一步讓紋理也不同呢？

使用什么軟件進行計算設計？

實際上，很難衡量究竟哪一款軟件是最流行的計算實現(xiàn)設計軟件。廣泛了解所有參數(shù)化和程序化軟件至關重要，從Fusion 360等機械設計平臺到用于動畫和游戲設計的軟件Houdini 。這里推薦 Blender 作為一個很好的起點，因為它是開源的，是一個很好的全能程序，并且可以免費下載。

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（來源：Nik Lee）

增材制造自上世紀80年代引入計算機輔助設計（CAD）以來，引發(fā)了設計領域最大的變革。它為設計師提供了重新思考設計方法的機會。與圍繞生產(chǎn)和材料限制展開設計不同，我們現(xiàn)在可以專注于設計能夠與我們的身體和周圍環(huán)境完美融合的產(chǎn)品。這將持續(xù)導致產(chǎn)品的外觀和觸感發(fā)生巨大變化。

計算機實現(xiàn)的物理產(chǎn)品設計與3D打印緊密相連。這是為了大規(guī)模生產(chǎn)以快速高效的方式設計獨特個體產(chǎn)品的唯一途徑。3D打印機可以直接從數(shù)字文件打印數(shù)十甚至數(shù)百個獨特零件，無需模具或工具，這是其他任何制造技術都無法做到的。

計算機輔助設計技術能夠生成非常復雜的零件。傳統(tǒng)制造技術，如注塑、鑄造和數(shù)控銑削，在制造復雜的內(nèi)部通道方面極為有限。在大多數(shù)情況下，你的數(shù)字設計必須分成幾個較小的實體進行傳統(tǒng)制造，然后再進行組裝，或者你將不得不修改設計，使其適用于加工等技術。

計算設計的未來是什么？

將計算機輔助設計用于消費品的未來充滿了令人興奮的可能性。通過利用數(shù)據(jù)，我們有機會在大規(guī)模范圍內(nèi)設計個性化定制的產(chǎn)品。

借助互聯(lián)網(wǎng)，可以從多個來源實時收集數(shù)據(jù)。我們的需求、習慣和偏好，這些定義了我們個性的因素，都可以被捕捉并用來定義產(chǎn)品。甚至在產(chǎn)品的整個生命周期中，顯示其使用情況的數(shù)據(jù)也可以被提取出來，然后用于改進未來的版本。

身體的掃描測量將繼續(xù)在可穿戴產(chǎn)品的設計中發(fā)揮重要作用，尤其是隨著掃描技術的改進。

隨著新的原型成為可能，精美圖案的產(chǎn)品可以完美地貼合身體，可以是珠寶，甚至是3D紋身。

來自環(huán)境的數(shù)據(jù)可以用來指導設計。例如，來自特定位置的天氣、噪音和交通數(shù)據(jù)可以用來幫助設計可持續(xù)的住宅。在3D打印房屋時，空氣流通管道可以正確地布置，以實現(xiàn)夏季的自然空調(diào)，墻壁厚度可以配置以減輕噪音，屋頂形狀可以優(yōu)化以適應太陽能電池板和雨水收集。

在未來，也許產(chǎn)品可以自動設計，以適應您不斷變化的生活方式和習慣。鞋子可以每雙打印出來，適應您不同的需求。

在未來，也許產(chǎn)品可以根據(jù)你不斷變化的生活方式和習慣進行自動化設計。鞋子可以根據(jù)當天的天氣、你將步行的地形、活動水平、日程安排以及你的情感狀態(tài)，在每個早晨進行打印制作。

最后的想法可能有些牽強，但通過使用數(shù)據(jù)和算法來計算設計，不管我們是否想要推進到那么遠的程度，這種程度的定制都是可能的。

計算機輔助設計在設計過程中提供了一個巨大的轉變。除了功能上的優(yōu)勢外，它還將導致全新且有趣的形式，這些形式是獨特的消費者特有的。這是一個遠離極簡主義、通用設計的機會，朝著更符合你的個性的產(chǎn)品邁進。從而實現(xiàn)更緊密的連接——類似于20世紀之前制作的精美手工產(chǎn)品——同時仍然在制造商經(jīng)濟可行的范圍內(nèi)。