前沿技術如何賦能產品設計?

前沿技術如何賦能產品設計?

近年來,由增強現實(AR)技術、增材制造(AM)技術、仿真技術等前沿技術和CAD設計相結合,開創了制造業產品設計的新思維,掀起了一輪聲勢浩大的產品設計變革浪潮。

當前,全球的制造業正在闊步前進的道路上,同時也面臨著來自市場、資源與環境、勞動力、成本、企業盈利能力等方面的壓力。近年來,由增強現實(AR)技術、增材制造(AM)技術、仿真技術等前沿技術和CAD設計相結合,開創了制造業產品設計的新思維,掀起了一輪聲勢浩大的產品設計變革浪潮,同時引發了公眾對制造業傳統產品設計的發展瓶頸和未來發展的深度思考。

AR技術正在連通產品設計的物理世界和數字世界

AR技術,可以簡單地理解為將計算機圖形疊加到現實世界的實時視圖上,通過先進的計算機視覺功能識別和跟蹤對象與空間,捕獲工作環境,以及啟用虛擬工作指令等創作體驗,讓產品設計的物理世界和數字世界保持實時連通。在產品設計過程中,AR的價值主要表現為:可視化和交互。具體而言,AR的可視化,有助于把產品的三維設計模型與實際世界重疊從而強化用戶的視覺感受;AR的交互,則表現為借助于AR界面來操作產品設計模型,包括修改數字設計模型、設計協同評審、數字體驗等。

作為一家在AR技術方面有著眾多領先技術的公司,PTC率先將AR技術引入了三維設計軟件Creo中。在其最新版本Creo 6.0中,進一步優化了產品設計工程師對AR的可視化體驗。例如,設計工程師可以隨時將產品的3D表示與工廠車間等背景疊加在一起,即使3D表示有修改,也只需重新發布就可以,在上下文中按比例即可查看最新設計;同時,Creo 6.0在保護設計者的知識產權的基礎上,支持將更多的相關人員引入設計流程中。

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基于Creo 6.0的AR創作和發布

其次,PTC借助AR技術真正改善了制造業產品設計的互動方式,消除了傳統CAD和PLM工具的復雜性。在產品設計階段,利用AR來演示產品的過去、現在和未來狀態;在流程方面,可通過AR訪問產品的物料清單、CAD文件、工作指令和服務流程。例如,使用Creo AR Design Share,設計人員可一次發布多達10個體驗,并對每個體驗進行全面的管理控制。同時,借助基于云的AR,Creo和Windchill的用戶可以簡化產品開發流程,提高產品質量并推動創新。此外,產品設計工程師還可以發布用于HoloLens和以二維碼形式呈現的體驗。

據悉,波音、福特和奧迪等大型工業公司已經使用了AR技術,他們不僅利用AR技術推動了相關人員的協作,而且也作為展示和審查他們的產品設計方案中的一種方式,以在生產過程之前對最終設計產品獲得更加真實的感覺。筆者認為,從PC時代使用鍵盤鼠標交互,到移動時代通過指尖交互,再到智能化時代可以通過各種傳感器交互,在交互手段不斷升級的趨勢下,AR通過將現實世界、虛擬信息和人連接起來,為人們提供了嶄新的智能化交互方式。筆者相信,隨著硬件與網絡的升級,以及算法和數據的積累,未來AR技術在產品設計上應用也會越來越多。

增材制造技術幫助設計師突破自身思維束縛

增材制造,俗稱3D打印,自1986年首家增材制造公司3D Systems成立以來,由于其能快速制造出各種形態的結構組織,對傳統的產品設計、工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生深刻影響,是制造業最具代表性的顛覆性技術之一。目前,在各國政府和市場的共同推動下,增材制造技術的發展速度正不斷加快。

尤其在增材制造3D軟件方面,人們逐漸意識到了3D軟件在增材制造過程中的重要性,包括從設計、模擬到工作流程管理和安全。以PTC Creo為例,真正消除了3D CAD和增材制造之間的差距。在其最新版本Creo 6.0中,增加了更多晶格建模、構建方向、優化、支持切片和3MF等全新功能,讓設計師在設計產品時充分專注設計工作本身,突破自身思維束縛,設計出更復雜、更靈活的產品。

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基于Creo 6.0設計的增材制造產品


具體到晶格建模方面,除了Creo原來標準的2.5D和3D晶格,在Creo 6.0中,設計師還可以構建由公式驅動的晶格,例如陀螺儀、隨機泡沫或共形晶格,并使用Creo幾何體定義自定義晶格;在構建方向上,基于Creo 6.0,設計師不僅可以定義將設計打印出來的最佳方向,也可以分析和優化構建方向,以最大限度縮短打印時間、減少支撐結構或提高托盤的利用率,并利用此方向來驅動晶格設計;在優化方面,Creo 6.0不僅支持拓撲優化中的裝配,同時還提供了一個改進的結果窗口,其中包含更多控件,使設計師可以更徹底地查詢并用動畫顯示結果。

筆者認為,隨著增材制造技術的不斷進步,未來的制造不僅可以實現個性化、定制化發展,也可以實現規模化發展,這需要增材制造產業鏈的各方人員共同努力來促成。例如增材制造的軟件廠商,如何革新設計工具才能更加智能化、更加簡單高效;如何革新設計工具才能更好地支撐設計效率的提升、降低設計專業度的要求?……解決了這些問題,增材制造技術融入人們生產生活的方方面面必將指日可待!

仿真技術確保設計師在產品設計時獲得實時反饋

中國工程院李伯虎院士曾說過:“高效能仿真技術可以研究已發生、尚未發生或設想的現象,可以研究難以達到的微觀、中觀或宏觀的世界,具有綜合、協同、繼承和互操作的特性,因而成為現代科學研究中求解高度復雜問題的重要科學手段。”如今,隨著仿真技術逐漸普及到產品的整個生命周期,CAD和CAE的集成越來越緊密。如何開發更加復雜的產品,更快地將產品推向市場?如何讓沒有基礎的設計師使用起仿真技術也不會有任何障礙呢?這些需求都促使設計師重新思考當下的產品設計模式。

PTC Creo 6.0中,憑借ANSYS提供支持的Creo Simulation Live,讓上述想法變成了現實。作為一款真正面向設計工程師的強大仿真工具,Creo Simulation Live能實時提供洞察并指導設計決策。具體而言,設計師只需要定義一些簡單的條件,軟件則會在后臺運行,從而在Creo建模環境中提供即時的動態設計反饋。同時,該工具無需高級FEA分析師的專業技能,設計師即使零仿真基礎經過簡單學習也可快速上手。

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基于Creo Simulation Live的應用案例


尤其設計師在創建和測試多種設計變體時,更能發現Creo Simulation Live的優勢所在。優勢一在于實時性,即直接在建模環境中就可對零件和裝配結果進行瞬時模擬;優勢二表現為交互性,當設計師編輯、創建或更高設計時,仿真分析會動態更新;優勢三是易用性,無需準備幾何體、網格化或等待結果,也無需在窗口間進行切換,在幾分鐘內就可運行第一次模擬。可以說,Creo Simulation Live真正幫助設計師在設計過程中及早發現問題,降低解決問題的難度和成本;同時還能更快地探索更多其他設計方案。

筆者認為,盡管當下仿真技術已無處不在,但協助設計師在產品生命周期中盡早識別設計風險依然是仿真工具的首要任務。相比于傳統模擬工具,Creo Simulation Live這款更及時、更易用的仿真工具,確保了設計師在建模環境中就可實時看到設計決策的影響,這對企業加快產品創新、幫助設計師更快地構建更好的產品,顯然非常有益。



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