從行業趨勢解讀當下產品設計新態勢

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導讀

隨著時代的變遷，人們的需求以及審美的不斷變化，人們將越來越少地關心你能生產什麼，他們更關心的是：隨著時間的推移，你的設計能持續地提供什麼？

作者：e-works 吳星星

當下，全球製造商都在積極探索製造業轉型之路，期望通過轉型取得競爭優勢。而諸如產品性能、價格、售後服務等產品競爭要素早在進行產品設計時就已確定，由此可見，產品設計幾乎決定了產品的整個生命周期。同時，隨著時代的變遷，人們的需求以及審美的不斷變化，人們將越來越少地關心你能生產什麼，他們更關心的是：隨著時間的推移，你的設計能持續地提供什麼？

而要加快這一轉變，必然離不開改變產品設計模式的一系列創新技術的應用，包括拓撲優化、模擬和分析、增材製造、模具加工、增強現實、多CAD協同等技術。這些技術與現有技術如何演變與發展，將決定未來的設計形態，也決定了未來的製造業形態。

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拓撲優化，讓產品設計更輕鬆

自1988年Bendsoe與Kikuchi提出基於均勻化方法的結構拓撲優化設計基本理論以來，近三十年來，拓撲優化技術得到深入和廣泛的研究，已成為國際工程結構與產品創新設計領域的熱點。其基本原理為在給定的設計區域和載荷邊界條件下，尋找最佳的材料布局形式，從而獲得更好的結構。運用拓撲優化技術，一方面可以幫助設計師根據產品的性能要求，在指定的設計空間內快速、準確的實現產品設計；另一方面，可以優化改善結構性能、減輕產品質量，最後找到一種全新的設計方案。

基於PTC Creo 5.0拓撲優化功能得到的模型

對於拓撲優化技術，各個廠商都有自己獨特的理解，但是目標是一致的。其中，PTC在Creo 5.0版本中，加入了Creo Topology Optimization的全新功能，工程師可以創建經優化過的3D幾何，值得注意的是，Creo 5.0可以將拓撲優化的結果直接轉換為參數化幾何，這將大大提高工程師的設計效率。以前需要幾周才能完成的任務，在Creo 5.0新版本中，只需幾秒就能輕鬆搞定。

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模擬，讓產品設計師做出更好的決策

無論是「以設計為導向」，還是「模擬驅動設計」思想的提出，都使得產品設計呈現了「我中有你，你中有我」的態勢。如今的產品日益複雜，需要不同部門間使用多種工具應對多學科的協同設計，而模擬技術在設計早期，就能為工程師提供產品設計建議，幫助他們做出更好的決策，這進一步使得設計與模擬的邊界更為模糊。

基於PTC Creo 5.0 CFD功能得到的模擬分析

如今，幾乎所有的CAD廠商都認識到了CAE的重要性，都先後在CAD環境中加入了CAE功能，PTC也不例外。在其最新的Creo 5.0版本中，加入了Creo Flow Analysis的全新功能，旨在為CAD用戶打造全面的CFD解決方案。設計工程師通過使用該功能，在設計的早期，就能發現和修復產品的液流或氣流問題。

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增材製造，讓產品設計更為理想

如同物聯網技術一樣，增材製造技術也將進入一個更為成熟的發展階段。與傳統製造技術相比，增材製造技術優勢盡顯，如設計空間無限、材料無限制組合等。增材製造技術不僅可以幫助企業列印各種複雜的產品結構，如多孔結構、異質材料功能梯度結構；同時企業不再受傳統工藝和製造資源的約束，在「設計即生產」、「設計即產品」的理念下，按照最理想的結構形式來設計產品，使得產品結構輕量化和高性能得以實現，「功能性優先」變為可能。

基於PTC Creo 5.0設計完成的產品正在進行增材製造列印

不斷創新的PTC公司，在Creo4.0版本中簡化了3D CAD和3D列印之間的流程，實現了單一環境、晶格創建等功能。其中，晶格創建是指創建以參數化方式控制的均勻或可變的晶體結構。使用晶格創建的好處表現在：第一，該功能與模擬分析相結合時，可以優化晶格結構解決多個設計要求；第二，由於這是真正的參數化幾何，晶格結構具有準確的質量屬性且帶有全部細節的零件。

利用Creo創建的複雜可變的晶體結構

同時，在Creo 5.0版本中，為用戶帶來了全新的增材製造功能，無論是使用聚合物，還是金屬，都可進行列印。此外，Creo 5.0版本不僅支持Stratasys和3D Systems的塑料印表機，也支持啟用Materialise的印表機庫，方便用戶了解構建時間、材料使用情況和材料顏色分配情況。

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模具加工，精密呈現產品設計品質讓產品

高速加工技術是採用高轉速、快進給、小切深和小步距來提高切削加工效率的一種加工方式，在模具加工領域有著廣泛應用。國內外一直注重對高速加工的研究，尤其在高速加工條件下的切削模擬、加工過程的進度保障、刀具監控、自適應控制等方面進行了大量研究工作，許多軟體已經不同程度提高了高速加工的專用模塊。

基於PTC Creo 5.0的高速加工刀具路徑模擬

在高速加工過程中，確定合理的走刀路徑是保證銑削加工精度和表面品質的重要工藝措施之一，也是確定數控編程的前提。針對高速加工刀具路徑的模擬，PTC在Creo 5.0版本中加入了此功能。該功能可以讓工程師輕鬆輕鬆地對面向一次性和小批量生產的複雜設計進行加工。此外，如果設計完全在Creo中進行，當設計發生更改時，用戶可以輕鬆地重新生成刀具路徑。

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增強現實技術，帶給工程師全新的設計體驗

隨著人們的設計理念逐漸關注用戶交互體驗和人體工程學，AR有了更為廣闊的用武之地。哈佛商業評論在《管理者的AR指南》中指出：儘管工程師使用計算機輔助設計（CAD）建模已經有30年的歷史，但通過2D屏幕與這些模型進行交互仍有諸多限制，工程師常常難以將設計全部轉化為現實。

基於PTC Creo 5.0 AR功能的評審

基於增強現實技術，工程師能夠將3D模型疊加在現實世界中的物理產品上，這大大提升了工程師對模型進行評估和改進的能力。PTC提供了業內領先的AR技術，真正提升工程師的設計體驗，用戶通過一個按鈕即可免費創建和發布AR體驗。通過該功能，團隊的每個成員可以在全球任何地方進行可視化、可交互的產品設計並提供設計反饋。同時，項目參與者可以與產品的3D模型進行互動。

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多CAD協作，讓產品設計更高效

協同技術是一種分散式的產品設計和開發模式，與傳統的設計手段和設計工具不同，它需要為用戶提供實時的、在線的協同工具和環境。隨著高速互聯網和並行工程的普及，多CAD協作技術也是當今先進位造領域的研究熱點。多CAD協作技術是採用集中的產品資料庫來實現數據共享管理，這樣也易於保證共享數據的一致性。

基於PTC Creo 5.0的多CAD協作

藉助於Creo中的Unite技術，用戶不僅可以高效地解決數據遷移等挑戰，還可以實現跨CAD平台經常性協作。在最新版本的Creo 5.0中，用戶除了可以直接重用來自CATIA、Siemens NX、SolidEdge、SolidWorks等CAD系統中的數據外，新版中還增加了對Autodesk Inventor文件打開和更新功能的支持，這進一步增強了Creo穩健的Unite Technology多CAD協作功能。

筆者認為，隨著產品的功能變得比以往複雜，製造商們逐漸認識到良好的設計才能吸引人們使用它。所以，未來的產品設計不僅著眼於可見的物理世界，同時也著眼於超出這一範疇的不可見的交互世界，而將以上技術應用於產品設計過程，設計工程師能更全面地了解產品的樣態、交互的細節，這樣設計出的產品才是吸引用戶反覆使用它的關鍵。

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