大規模定制3D打印中的計算設計：分類、用途及展望
時間：2023-08-21 15:03 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：在全球化的近幾十年里，各大品牌提供為了吸引大量用戶，通常會采用非通用的方法對產品進行設計，滿足盡可能多的人的需求。然而，在大多數用戶來看，定制產品甚至是由我們自己生產的產品具有更高的感知價值。那么，如何將定制和批量生產結合起來？
其實，使用計算設計，可以實現個性化產品大規模制造，那么什么是計算設計？它有什么好處？未來的發展方向是什么？別著急，南極熊接下來都會一一介紹。首先，然后我們看一個結合計算設計生產的產品。
△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應用程序掃描腳部，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。
●最后，一旦孩子對設計感到滿意，鞋子設計模型就會被發送到大規模3D打印工廠進行制作。
什么是計算設計？
△計算機生成的形狀與自然界中的形狀驚人地相似
計算設計是一種計算機輔助設計（CAD）方法，使用算法和參數的組合自動計算產品的結構。它不是人工智能 (AI)，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、進化優化和機器學習，來增強設計過程并創造更高效的產品、創新和定制的解決方案。
通過計算設計，將數值添加到預定義參數中來生成模型。與傳統的靜態設計不同，這種計算設計是動態的，它可以通過輸入新數據不斷更新改變。每個新數據都可以通過在參數之間建立各種關系來影響所有其他數據。
比如，3D打印矯形支架公司 ActiveArmor，通過使用計算設計和軟件公司 Twikit 的平臺，輸入患者的相關數據（包括解剖尺寸、損傷類型和醫生規定的運動限制），能夠生成完全定制的支架設計。
△ActiveArmor為醫療保健專業人員提供了定制3D打印支架的方法
計算設計是一個涵蓋多個設計過程的總稱，包括參數化設計、算法設計、生成設計和拓撲優化。雖然計算設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：
●參數化設計。將參數鏈接在一起形成組或節點，當一個值改變時，會自動改變其他相關值。這樣，可以在預定義的邊界內快速計算設計，例如保持制造所需的尺寸。
●算法設計。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。在這種情況下，首先定義邊界，例如自行車車輪的外緣，然后定義內部邊界。然后，設計人員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，供您根據最堅固的形狀和使用最少量的材料進行選擇。
拓撲優化與生成設計屬于同一類別，但并不相同。通過地形優化，還可以定義體積。然后，軟件通過計算，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行控制，但是，實際結構由軟件算法決定。用于計算設計實現的技術可以產生非常復雜的形式，通常模仿自然界中發現的試錯過程。
△大眾汽車集團重新設計的 1962 Microbus
從歷史上看，由于傳統制造技術的限制，這些設計很難或不可能生產。但隨著增材制造的進步，現在可以大規模生產具有高質量表面光潔度的復雜而獨特的結構。它為消費品（例如消費電子產品、時尚、家居用品和家具）的計算產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使用3D打印進行了拓撲優化，其整體更輕，能夠消耗更少的能源并降低總體成本。
如今，計算設計技術廣泛應用于制造和許多消費品中。這些產品受益于參數化建模、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，通過根據運動優化沖擊吸收并根據運動員的頭部形狀和尺寸定制來提高性能。
●醫療應用中的計算設計也有許多用例。內部作為骨替代物以及外部假肢和骨折治療。在
△采用晶格結構的 3D 打印自行車組件降低了整體重量
目前有一個項目使用精密工程算法來生產自行車部件，沒有使用固體金屬部件，而是使用輕質網格結構來減輕重量。根據特定區域所需的應力要求，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品設計提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀。
△通過計算機定義形狀，設計家具
還有一個項目使用nTop的地形優化軟件輸入參數，例如家具需要承受的重量，能夠找到使用最少材料的優化形狀。通過使用這種工程方法，可以創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，將使用最少的材料來滿足用戶產生的最大力。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。
△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
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
自 20 世紀 80 年代引入 CAD 以來，增材制造給設計帶來了最大的變化，為設計師提供了重新思考設計方法的機會。設計師在設計時可以不用受到生產和材料的限制。產品設計的計算實現與 3D 打印齊頭并進，這是快速有效地設計獨特產品并進行大規模生產的唯一方法。3D 打印機可以直接從數字文件中一次打印數十或數百個獨特的零件，無需模具或工具，這是其他制造技術無法做到的。
計算設計技術可以生成非常復雜的零件。注射成型、鑄造和數控銑削等傳統制造在制造復雜的內部通道方面的能力極其有限。在大多數情況下，大型物品必須分成幾個較小的實體以進行傳統制造，然后進行組裝，否則將修改設計以使其適合機械加工等技術。
計算設計的未來是什么？
在消費產品中使用計算設計是非常令人興奮的，通過利用數據，用戶有機會大規模設計單獨定制的產品。借助互聯網，可以從多個來源實時收集數據。用戶的許多定義個性的需求、習慣和偏好都可以被捕獲并用于設計產品。在產品的整個生命周期中，也可以提取顯示產品的數據情況，然后不斷更新和迭代，為下一次產品設計提供更多的信息。
身體掃描測量將繼續成為可穿戴設備設計中的一個重要因素，特別是隨著掃描技術的進步。來自環境的數據也可用于指示設計。例如，某一特定位置的天氣、噪音和交通數據可用于幫助設計可持續住宅。3D 打印房屋時，可以正確放置氣流管道以實現夏季自然空調，可以配置墻壁厚度以抑制噪音，還可以優化屋頂形狀以適應太陽能電池板和雨水收集。
未來，或許產品可以實現產品的自動設計，以適應用戶不斷變化的生活方式和習慣。每天早上可以根據天氣、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打印鞋子。
可以說，計算設計為產品設計過程帶來了巨大的轉變。除了功能優勢之外，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、通用設計，轉向個性化產品的機會。
其實，使用計算設計，可以實現個性化產品大規模制造，那么什么是計算設計？它有什么好處？未來的發展方向是什么？別著急，南極熊接下來都會一一介紹。首先，然后我們看一個結合計算設計生產的產品。
△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應用程序掃描腳部，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。
●最后，一旦孩子對設計感到滿意，鞋子設計模型就會被發送到大規模3D打印工廠進行制作。
什么是計算設計？
△計算機生成的形狀與自然界中的形狀驚人地相似
計算設計是一種計算機輔助設計（CAD）方法，使用算法和參數的組合自動計算產品的結構。它不是人工智能 (AI)，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、進化優化和機器學習，來增強設計過程并創造更高效的產品、創新和定制的解決方案。
通過計算設計，將數值添加到預定義參數中來生成模型。與傳統的靜態設計不同，這種計算設計是動態的，它可以通過輸入新數據不斷更新改變。每個新數據都可以通過在參數之間建立各種關系來影響所有其他數據。
比如，3D打印矯形支架公司 ActiveArmor，通過使用計算設計和軟件公司 Twikit 的平臺，輸入患者的相關數據（包括解剖尺寸、損傷類型和醫生規定的運動限制），能夠生成完全定制的支架設計。
△ActiveArmor為醫療保健專業人員提供了定制3D打印支架的方法
計算設計是一個涵蓋多個設計過程的總稱，包括參數化設計、算法設計、生成設計和拓撲優化。雖然計算設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：
●參數化設計。將參數鏈接在一起形成組或節點，當一個值改變時，會自動改變其他相關值。這樣，可以在預定義的邊界內快速計算設計，例如保持制造所需的尺寸。
●算法設計。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。在這種情況下，首先定義邊界，例如自行車車輪的外緣，然后定義內部邊界。然后，設計人員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，供您根據最堅固的形狀和使用最少量的材料進行選擇。
拓撲優化與生成設計屬于同一類別，但并不相同。通過地形優化，還可以定義體積。然后，軟件通過計算，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行控制，但是，實際結構由軟件算法決定。用于計算設計實現的技術可以產生非常復雜的形式，通常模仿自然界中發現的試錯過程。
△大眾汽車集團重新設計的 1962 Microbus
從歷史上看，由于傳統制造技術的限制，這些設計很難或不可能生產。但隨著增材制造的進步，現在可以大規模生產具有高質量表面光潔度的復雜而獨特的結構。它為消費品（例如消費電子產品、時尚、家居用品和家具）的計算產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使用3D打印進行了拓撲優化，其整體更輕，能夠消耗更少的能源并降低總體成本。
如今，計算設計技術廣泛應用于制造和許多消費品中。這些產品受益于參數化建模、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，通過根據運動優化沖擊吸收并根據運動員的頭部形狀和尺寸定制來提高性能。
●醫療應用中的計算設計也有許多用例。內部作為骨替代物以及外部假肢和骨折治療。在
△采用晶格結構的 3D 打印自行車組件降低了整體重量
目前有一個項目使用精密工程算法來生產自行車部件，沒有使用固體金屬部件，而是使用輕質網格結構來減輕重量。根據特定區域所需的應力要求，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品設計提供了新穎且極具視覺吸引力的外觀。
△通過計算機定義形狀，設計家具
還有一個項目使用nTop的地形優化軟件輸入參數，例如家具需要承受的重量，能夠找到使用最少材料的優化形狀。通過使用這種工程方法，可以創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，將使用最少的材料來滿足用戶產生的最大力。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。
△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
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
自 20 世紀 80 年代引入 CAD 以來，增材制造給設計帶來了最大的變化，為設計師提供了重新思考設計方法的機會。設計師在設計時可以不用受到生產和材料的限制。產品設計的計算實現與 3D 打印齊頭并進，這是快速有效地設計獨特產品并進行大規模生產的唯一方法。3D 打印機可以直接從數字文件中一次打印數十或數百個獨特的零件，無需模具或工具，這是其他制造技術無法做到的。
計算設計技術可以生成非常復雜的零件。注射成型、鑄造和數控銑削等傳統制造在制造復雜的內部通道方面的能力極其有限。在大多數情況下，大型物品必須分成幾個較小的實體以進行傳統制造，然后進行組裝，否則將修改設計以使其適合機械加工等技術。
計算設計的未來是什么？
在消費產品中使用計算設計是非常令人興奮的，通過利用數據，用戶有機會大規模設計單獨定制的產品。借助互聯網，可以從多個來源實時收集數據。用戶的許多定義個性的需求、習慣和偏好都可以被捕獲并用于設計產品。在產品的整個生命周期中，也可以提取顯示產品的數據情況，然后不斷更新和迭代，為下一次產品設計提供更多的信息。
身體掃描測量將繼續成為可穿戴設備設計中的一個重要因素，特別是隨著掃描技術的進步。來自環境的數據也可用于指示設計。例如，某一特定位置的天氣、噪音和交通數據可用于幫助設計可持續住宅。3D 打印房屋時，可以正確放置氣流管道以實現夏季自然空調，可以配置墻壁厚度以抑制噪音，還可以優化屋頂形狀以適應太陽能電池板和雨水收集。
未來，或許產品可以實現產品的自動設計，以適應用戶不斷變化的生活方式和習慣。每天早上可以根據天氣、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打印鞋子。
可以說，計算設計為產品設計過程帶來了巨大的轉變。除了功能優勢之外，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、通用設計，轉向個性化產品的機會。
(責任編輯：admin)
NASA與ICON聯手推進太空3D
第八屆醫院3D打印論壇：個
3D打印巨頭Stratasys收購
Nature子刊：3D打印技術助
全球兩大3D掃描儀巨頭合并
美國交通部長稱，FAA正借最新內容
美國空軍2860萬美
美國軍工企業強強
美國斥資450萬美
GoEngineer通過收
3D食品打印：烹
卡內基梅隆研究人熱點內容
