3D打印融合計(jì)算設(shè)計(jì)，引領(lǐng)大規(guī)模定制產(chǎn)品制造

在近幾十年的全球化進(jìn)程中，品牌商通過非常通用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提供滿足盡可能多的全球消費(fèi)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(jià)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(jié)合起來怎么辦？使用人工智能和算法軟件，可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的概念。讓我們看一個(gè)例子：

△這個(gè)展示項(xiàng)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(shè)計(jì)和訂購一雙獨(dú)特的定制合腳泡泡圖案鞋（如上圖所示）是多么有吸引力。

首先，他們會(huì)使用簡單的智能手機(jī)應(yīng)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(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)長大并四處移動(dòng)。一旦孩子對設(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 打印過程。

計(jì)算設(shè)計(jì)軟件將使這一概念成為可能。讓我們來看看這項(xiàng)技術(shù)到底是什么。

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發(fā)現(xiàn)的形狀驚人地相似（來源：Nik Lee）

計(jì)算設(shè)計(jì)是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）方法，它使用算法和參數(shù)的組合來自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。它不是人工智能 (AI)，因?yàn)檐浖�不�?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)，通過將數(shù)值添加到預(yù)定義參數(shù)來生成模型。設(shè)計(jì)師不繪制或應(yīng)用形狀。與傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)不同，計(jì)算設(shè)計(jì)是流動(dòng)的和動(dòng)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(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)。

我們已經(jīng)在實(shí)踐中看到了這一點(diǎn)。再看看3D 打印矯形支架公司 ActiveArmor：該公司通過使用計(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，以生成完全定制的支架設(shè)計(jì)，比為個(gè)人手工設(shè)計(jì)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(jì)劃的定制 3D 打印支架的方法（來源：ActiveArmor）

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。盡管計(jì)算設(shè)計(jì)中的方法相互融合，但它們可以分為三個(gè)主要類別：

• 參數(shù)化設(shè)計(jì)是指將參數(shù)鏈接在一起形成組或節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)值改變時(shí)，它會(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)比這更進(jìn)一步。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)比人工智能設(shè)計(jì)更進(jìn)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(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，供用戶根據(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，您還可以定義體積。然后，軟件計(jì)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(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（來源：大眾汽車）

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)。

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針對 3D 打印進(jìn)行了拓?fù)鋬?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(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。

計(jì)算設(shè)計(jì)在醫(yī)學(xué)應(yīng)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(dāng)身體部位的大小和形狀可以驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，這是非常有益的。

△采用晶格結(jié)構(gòu)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(fèi)品計(jì)算設(shè)計(jì)的DesignFAM公司目前正在進(jìn)行的一個(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。

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

DesignFAM與 3D 打印機(jī)制造商 BigRep 合作的另一個(gè)項(xiàng)目是一項(xiàng)概念研究（如上圖所示），目的是看看如果我們讓計(jì)算機(jī)定義形狀，家具會(huì)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(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。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(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。

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(shè)計(jì)鞍座剛度、形狀和壓力區(qū)域。

△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（來源：Layer）

形式、功能和質(zhì)地

下圖顯示了一項(xiàng)研究，研究算法如何通過對軟件進(jìn)行編程來模擬隨時(shí)間的增長而創(chuàng)建獨(dú)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(fù)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(dú)特性。

△使用模擬有機(jī)生長的設(shè)計(jì)算法設(shè)置生成的紋理示例可應(yīng)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(dú)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(gè)部分都有一個(gè)原始的圖案，因此是獨(dú)一無二的 - 這被視為使用該材料的價(jià)值。

當(dāng)用算法設(shè)計(jì)一個(gè)3D打印物體時(shí)，每個(gè)部分都可以不同，那么為什么不進(jìn)一步讓紋理也不同呢？

使用什么軟件進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)？

實(shí)際上，很難衡量究竟哪一款軟件是最流行的計(jì)算實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件。廣泛了解所有參數(shù)化和程序化軟件至關(guān)重要，從Fusion 360等機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)到用于動(dòng)畫和游戲設(shè)計(jì)的軟件Houdini 。這里推薦 Blender 作為一個(gè)很好的起點(diǎn)，因?yàn)樗�是開源的，是一個(gè)很好的全能程序，并且可以免費(fèi)下載。

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（來源：Nik Lee）

增材制造自上世紀(jì)80年代引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）以來，引發(fā)了設(shè)計(jì)領(lǐng)域最大的變革。它為設(shè)計(jì)師提供了重新思考設(shè)計(jì)方法的機(jī)會(huì)。與圍繞生產(chǎn)和材料限制展開設(shè)計(jì)不同，我們現(xiàn)在可以專注于設(shè)計(jì)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(dǎo)致產(chǎn)品的外觀和觸感發(fā)生巨大變化。

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)獨(dú)特個(gè)體產(chǎn)品的唯一途徑。3D打印機(jī)可以直接從數(shù)字文件打印數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)獨(dú)特零件，無需模具或工具，這是其他任何制造技術(shù)都無法做到的。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)能夠生成非常復(fù)雜的零件。傳統(tǒng)制造技術(shù)，如注塑、鑄造和數(shù)控銑削，在制造復(fù)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(shè)計(jì)必須分成幾個(gè)較小的實(shí)體進(jìn)行傳統(tǒng)制造，然后再進(jìn)行組裝，或者你將不得不修改設(shè)計(jì)，使其適用于加工等技術(shù)。

計(jì)算設(shè)計(jì)的未來是什么？

將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用于消費(fèi)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(jī)會(huì)在大規(guī)模范圍內(nèi)設(shè)計(jì)個(gè)性化定制的產(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)。我們的需求、習(xí)慣和偏好，這些定義了我們個(gè)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(gè)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(jìn)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(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，尤其是隨著掃描技術(shù)的改進(jìn)。

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(dǎo)設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)可持續(xù)的住宅。在3D打印房屋時(shí)，空氣流通管道可以正確地布置，以實(shí)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(yīng)太陽能電池板和雨水收集。

在未來，也許產(chǎn)品可以自動(dòng)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)您不斷變化的生活方式和習(xí)慣。鞋子可以每雙打印出來，適應(yīng)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(xí)慣進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。鞋子可以根據(jù)當(dāng)天的天氣、你將步行的地形、活動(dòng)水平、日程安排以及你的情感狀態(tài)，在每個(gè)早晨進(jìn)行打印制作。

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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中提供了一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)變。除了功能上的優(yōu)勢外，它還將導(dǎo)致全新且有趣的形式，這些形式是獨(dú)特的消費(fèi)者特有的。這是一個(gè)遠(yuǎn)離極簡主義、通用設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，朝著更符合你的個(gè)性的產(chǎn)品邁進(jìn)。從而實(shí)現(xiàn)更緊密的連接——類似于20世紀(jì)之前制作的精美手工產(chǎn)品——同時(shí)仍然在制造商經(jīng)濟(jì)可行的范圍內(nèi)。