產品設計入門

 

 Design

 

設計與科技

電腦輔助設計

早期的電腦輔助設計

電腦輔助設計(Computer-Aided Design)或電腦繪圖 (Computer-Aided Drafting)始於六十年代,又可稱為電腦輔助草稿設計;到現在,電腦輔助設計已經廣泛被建築師、工程師 、繪圖員和專業設計人員等利用來進行設計,電腦輔助設計為他們提供一個功能完備的平面和三維平台用來設計、觀看、管理、設計方案、分享、列印和輸出都集於一身。

 

三維的立體模型設計

相對於人手繪圖電腦繪圖有以下好處:

  • 準確和減少錯誤﹕用人手繪圖往往很難避免一些人為錯誤例如計算錯誤、比例錯誤、量度錯誤等等,而電腦繪圖就能有效地減低這些錯誤。而且電腦輔助設計軟件的虛擬空間巨大,不受圖紙大小的限制,再沒有因應紙張大小而計算比例的需要。
  • 提高工作效率﹕對於複雜的平面圖,有大量重複物件例如門窗、道孔、螺絲等,電腦輔助設計就能大大減少繪畫重複物件的時間,從而提高工作效率。
  • 資料豐富﹕電腦繪圖不單能提供最基本的尺寸,還能提供物件與物件之間的關係、物件如何的組合、表面的紋理和式樣等等。
  • 三維設計﹕能提供一個虛擬三維工作環境來設計、觀看和修改模型,這是人手繪圖無法做到的。

至於電腦輔助設計也有其缺點:

  • 電腦輔助設計軟件眾多﹕我們需了解不同軟件的特點和使用方法,這往往會令用戶花費很多的時間去學習不同的軟件,比起手繪圖用同一標準,電腦輔助設計就相對地不便。
  • 繪畫簡的單圖反比人手慢﹕由於電腦輔助設計需要電腦來開啟檔案,在繪畫一些簡單的平面圖,比例上設定和開啟檔案的時間就多了,相反用人手會比較方便和快速。
  • 需要電腦,不便戶外使用﹕如要在戶外開啟繪圖檔案的時候,又找不到電腦的話,就會很不方便,而手繪圖就沒有這個問題。

 

線條模型 (Wireframe modeling)

曲面模型(Surface modeling)

實體模型(Solid modeling)

線條模型 (Wireframe modeling)

線條模型用點、線、弧形、圓形和曲線等去代表一件物品的邊緣,一般應用在平面設計、工業繪圖和大廈平面圖等等。

曲面模型(Surface modeling)

曲面模型比起線條模型更進一步提供線與線之間的連接,形成一個曲面的資料,令繪畫物件的時候更為自由和像真,而一般應用在概念設計上。

實體模型(Solid modeling)

實體模型是一個完整、有效和用幾何資料去代表一件物件,由於它是用實體來表示物件,所以生產和做原型(Prototype)比較方便,主要應用在工業設計上。

由於電腦輔助設計有別於人手繪圖只局限在平面,所以會有平面(two-dimension)和三維(three-dimension)的空間設定。

模型 空間設定 特色
線條模型 平面 等於一個電子繪圖板,只是利用電子工具去取代人手繪圖
曲面模型 三維 利用虛擬三維工作環境來設計模型,而所有資料均是以真正的三維數據儲存。
實體模型 三維 實體模型相對於曲面模型,能提供額外面與面之間的資料

 

初階繪圖軟件

 ProDesktop 繪畫立體的過程

進階繪圖軟件

專業繪圖軟件 - 工程設計軟件

專業繪圖軟件 - 外型設計軟件

繪圖軟件的種類可謂五花八門,並提供各種各樣的功能去滿足不同用戶的需要,以下為大家簡單介紹一下:

初階繪圖軟件 - AutoCAD, Pro/desktop, Rhinoceros

初階繪圖軟件是一種為初學者而設的2D和3D軟件,為初學者提供一個簡單易用的工作介面,並且有完整的2D功能和一些基本的3D功能,令使用者容易了解和明白當中的原理。例如AutoCAD會應於一般的大廈平面圖,由於大廈平面圖用二維就可以畫出來,所以AutoCAD都能勝任。

進階繪圖軟件 - Inventor, Solidworks

進階繪圖軟件是一種實用且易學的3D設計軟件,為電子機械與工業機械市場提供了業界專用的工具,提供功能強大而且又靈活的方式,讓用戶使用想要的工作流程來建立和記錄整個設計。 進階繪圖軟件會應用於產品設計上,例如鐘錶就可運用Solidworks 來做,由於Solidworks是用實體模型進行設計的,所以對往後的生產會較曲面模型方便。

專業繪圖軟件

工程設計軟件 - Pro/engineer, Unigraphics, CATIA

其功能強大,且使用者眾多,不單具備3D實體模型可即時看到所設計之成品3D 外型,並採用參數化設計可立即變更設計,而且曲面功能完整,可做出複雜實體模型。並可在3D零件完成設計後,可快速將2D圖完成。工程設計軟件可做外型複雜的產品例如汽車等,能滿足專業用戶的要求。

外型設計軟件 - Alias studio tools, Rhino

外型設計軟件主要為概念設計而設的,利用不同的曲面來組合成一個曲面模型,其好處就是改變外型時,曲面模型會比較實體模型快捷和容易。外型設計軟件主要用來一些沒有內部結構和曲面複雜的產品,例如玩具、公仔的外型等等。

 

美Fada公司一九三四年生產的收音機,以當時新投入應用的電木模塑製造,因而造型遷就手工繪圖和製模過程,以直線、圓弧構成(圖片來自www.tribu-design.com)

Roberto Pezzetta於一九九六年為Zanussi設計的Zoe洗衣機,機身外輪廓為一條圓滑的畢斯曲線(Biezier Curve),機頂的控制面板和前圓門皆和機身圓滑貼合,過渡的曲面和交接線全靠電腦計算(圖片來自www.tribu-design.com)

新的生產技術不斷改變產品的造型和我們的口味,除了生產技術外,設計科技也對產品的外型有很大影響。

在電腦輔助設計未出現以前,產品的造型朝兩極化發展,其一是純運用基本幾何工具,如直尺、圓規可繪製的形狀,並且盡可能地簡化生產所需的工序與模具,運用這些方針所製作的產品,線條簡單,幾何形狀主導,而且方向性強,一般可明確分為幾個利落的投影。如果脫離繪圖工具的束縳,便需完全人手造型,由於手工造型自由度大,所以設計作品自由奔放,曲面亮點轉折流暢,亦較少方向性。

電腦繪圖出現後,由於曲面交接線、投影線、剖面線等可輕易取得,所以產品設計的整體漸多使用平滑流動的曲線,但受制於繪圖軟件的「視點」和「工作面」特性,產品的方向性依然比較明顯。

「倒角」功能是電腦設計產品的一個普遍特徵,由於運用「倒角」可輕易在產品表面產生均等或漸變大小的圓邊,所以設計師相當喜歡使用,但用此功能所產生的圓邊,如手工作製的有尺寸微小但視覺效果和觸感顯著的差別,所以要求高水平曲面造型的產品,例如汽車,現時依然不能放棄手工造型。

從數字到實物原型

目前CAD軟體的新趨勢,是以結合造型設計為主,來幫助CAD的設計者,同樣地也能夠擁有工業設計的造型能力。讓CAD設計者不單只能做簡單的機械設計造型,更能夠發展出造形設計的理念,直接 造出想要的外觀造型,並能夠以機械設計的概念,繪製出外型美麗且實用的產品,滿足日益求新的廣大消費市場。

CAD的強大曲面功能,對產品造型有很大的衝擊和決定性之影響,因為CAD不再只局限在一般正正方方有尺寸的傳統觀念,而是將產品造型設計以及機械設計的理念,結合而成的強大設計系統。而設計師透過CAD軟件來造出心目中所想的造型,什至超乎設計師的想像。

概念原型

在設計的初期,設計者要想出很多不同的設計概念,傳統的方法是把概念畫在紙上或者用發泡膠慢慢做出來,比較浪費時間和很難在往後再利用,如果用CAD來做的話會比較快捷,修改容易,在往後設計過程中也可以繼續運用,也能利用快速原 型技術做出來。而在設計意念的交流上同樣方便,只需開啟CAD檔案便能預覽外型,亦可打印出來,這對評估產品外型上有一定的幫助。

 

快速原形應用於產品開發

輔以快速模型技術,快速原形技術可用作少量生產

快速原型亦有用於建築模型上

快速原型的獨特性可用於藝術創作

快速原形應用於首飾設計

當完成了電腦繪畫之後,想快速地把設計意念變成一件實物,就可以用快速原型技術來實現,這對我們去修改或評估開發中的產品是很重要,因為我們看見立體模型的時候,就很容易知道和自己意念之間的相差,從而能夠適當地修改模型,這對產品造型有一定的幫助。

因此,快速原型技術也廣泛地應用在產品設計上,以下是一些例子:

產品開發

其實在產品開發的過程中,需要做多個產品模型作為測試之用,如造型設計評估、功能測試、樣板、組裝測試及安全測試等,快速原型在這方面大派用場。因設計師只需在立體圖上作出修改,便能即時造出樣品,作進一步測試。

小量生產

現時的快速原型科技以高速發展,快速原型所用的材料,越來越接近產品實際使用的材料。如在稍後課節介紹的直接金屬成型技術,便能直接用快速原型的方法造出金屬產品.因此在小批量的生產中,直接使用快速原型技術,省卻了模具生產等時間。

建築模型

在建築設計上,實體模型是非常重要的.實體模型除了可令客戶更了解建築物的具體設計外,更可用作各方面的測試,如光線測試,可承受風力測試等. 以往建築師在設計完成後,便要考慮如何把設計實體化。但有了快速原型技術後,不論他們的設計有多複雜,也可一下子被製造出來。

藝術創作

隨著電腦科技的發展,新一代的藝術家及設計師,不一定整天埋手於工作間,親手造出藝術品來。他們現在可以安坐家中,面對著電腦,用電腦輔助設計軟件創造出心目中的藝術品,然後再以快速原 型技術把藝術品一次過生產出來。

金屬鑄造

在傳統金屬鑄造業中,常會用到沙模鑄造,失蠟鑄造,離心鑄造等方法.此等方法均需有一個實體模型來複製出模具,快速原形技術正好提供了一個造出實體模型的方法 ,大大加快了製造金屬原型的速度。

 

虛構世界

用自動虛擬環境間來模擬車廂內的環境

虛擬真實的意思是指借助電腦技術創造虛擬世界,而這個虛擬世界的場景就是用CAD繪畫出來,透過虛擬真實技術把這些CAD模型轉換成為一個電腦虛擬模型,令用戶進入一個疑幻似真的世界。而差不多所有我們想像出來的模型,都能虛擬出來。

虛擬真實最大好處就是能提供一個使用者不需要有太多認知的介面,使用者只需透過日常生活的經驗便可使用,相比其它媒體,更貼近人類的感官,所以也有說虛擬真實是最自然的人機溝通方式。虛擬真實,務求使用者不需要學懂怎樣去理解電腦的數據,而是電腦學懂怎樣領會使用者的心意和用最自然的方式表達 經處理後的結果。

最初發展虛擬真實的目的,是為了更有效地操作電腦,但隨著技術的發展,大眾都被虛擬真實的沉浸感所吸引,其實人類文明從一開始便不斷的用媒體創造虛構世界,從繪畫的世界,到語言的世界,至於音樂,文字,攝影等等,各種虛構世界都不同程度地達到沉浸(Immersion)、交互(interaction)和構想(Imagination)等三種效果,但正是由於以前的各種途徑不能同時達到三個效果,因此人們在與這些虛構世界交流時,不容易投入其中。虛擬真實是首種有能力同時提供三種效果的媒體,這引致後來虛擬真實在文娛方面的蓬勃發展。

我們人類在許多領域面臨著越來越多前所未有而又必須解決和突破的問題,例如:載人航天、核試驗、核反應堆維護、包括新武器系統在內的大型產品的設計研究、氣象及自然災害預報、醫療手術的模擬與訓練以及多兵種軍事聯合訓練與演練等。如果按傳統的方法解決這些問題,必然要花費巨額資金,投入巨大的人力,消耗過長的時間,甚至要承擔人員傷亡的風險。虛擬真實技術的產生和發展,為解決和處理這些問題提供了新方法和新途徑,必將對社會、對人們的生活產生巨大影響。

虛擬真實的應用

自動虛擬環境間(Cave Automatic Virtual Environment - CAVE)是一個可供多人同時使用的虛擬空間,並且提供高解像度的三維影像和音效輸出,而影像會用後投影的方法,投影在四周的投影暀W,配合立體眼鏡得出虛擬三維環境,當使用者在環境間內移動時,透過使用者頭上的方向跟蹤器,畫面會作出適當的移動,從而得出置身現場的感覺。
當使用者配配戴立體眼鏡後,投影棷N會變得好像消失了,三維影像會伸延出投影房間,這個虛擬的物品例如汽車將會出現在房間的內外結果,使用者會視這些虛擬物品為實物,直 至使用者嘗試去觸摸為止。

個案

八十年代出產的SONY CFS-270(圖片來自www.ebay.com)

SONY S2 Sports ZS-X1 (圖片來自www.sonystyle.com)

在八十年代音響電子微型化以後,出現了一種新類型的音樂娛樂產品–手提音響。手提音響因為內部機械結構簡單,造型上限制很少,因此,手提音響的造型很主要由設計風格與製造過程所決定。

在普遍使用電腦輔助設計以前,製作音響的塑料外殼所用的模具是複雜的工作,為了簡化設計,提高設計速度,音響的外型都由平面組成,前機箱和後機箱的接合線是一個平面、按鈕、旋鈕等的開孔都分佈在同一個平面,或在機箱夾口線上。

使用電腦輔助設計所帶來的轉變可體現在幾方面: 機體外型由平滑曲面組成,這些曲面變化多端,比弧面、球面等更具動感。 機體各件部件之間的夾口由平滑三維曲線組成,而且端面平滑過渡,無需以台階來掩飾尺寸誤差。 旋鈕等控制鍵的位置分佈更多變,旋鈕的形狀也能做到和機箱外型匹配。

以上的轉變,並非是非用電腦輔助設計不能成事的,但要達到同一效果,卻非花費大量精力不可。

活動

活動目標:

了解各類CAD軟件的分別

活動內容:

選擇兩個CAD的繪圖軟件(例如:AutoCAD, Solidworks, Pro/Desktop 等等)作出比較:

  • 列出兩個軟件主要用途,能繪畫的物件(二維、三維)
  • 操作介面,例如繪畫一些簡單的物件(好像線、圓形)的步驟
  • 普及性,較多用在什麼行業並指出原因

評分標準:

  • 能否做出比較的效果
    例子:
      AutoCAD Solidworks
    介面 圖標、選單和文字輸入 圖標、選單
    用途 二維平面圖為主 三維的立體模型設計
    普及性 不論工業、建築等行業均有使用,因為AutoCAD比較容易使用。 用於工業和機械設計為主,它是一個簡單易用和功能齊全的立體設計軟件。例如畫線的時候,就好像用筆畫出來一樣,而形狀大概就可以,只要最後修改尺寸就完成
  • 例子運用是否恰當
    Solidworks去畫線

 

活動目標:

讓學生運用CAD軟件去設計,從中了解CAD的基本運作

活動內容:

運用Pro Desktop去設計一件文具,要考慮的有以下幾點:

  • 使用者類別,誰會使用該件文具
  • 列出主要功能
  • 簡單操作方法
  • 美觀

評分標準:

  • 該文具的實用性
  • 設計理念
  • CAD的技巧

 

 

 

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