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在全球化的近幾十年里，各大品牌提供為了吸引大量用戶，通常會采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，以滿足盡可能多人的需求。然而，在很多用戶來看，定制產(chǎn)品甚至是自己設(shè)計的產(chǎn)品具有更高的情感價值。那么，如何將定制化和批量生產(chǎn)結(jié)合起來？
其實，使用“計算設(shè)計”+“3D打印”，可以實現(xiàn)個性化產(chǎn)品大規(guī)模制造。2016年，阿里云設(shè)計中心在國內(nèi)首次提出“計算設(shè)計”的概念。
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？首先，我們看一個結(jié)合計算設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)品。
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)吹氣的聲音被記錄下來時，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矯形支架設(shè)計。
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，改變建筑物的形狀時，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，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。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。
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(3D打印)技術(shù)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
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。
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。
還有一個項目使用nTop的優(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。
計算設(shè)計與增材制造
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。
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