基于自镶嵌图形的设计生成算法与制造决策系统

1. 痛点问题

为了制造丰富多彩的各类生活产品，从建筑尺度的配件到家具、手办的传统制造流程中，无论是模制、切割还是装配加工，设计原型（相对于使用场景）的可适应性、个性化指数和成套需求，都会带来加工制造过程中的工时、成本急剧上升，加大生产难度，限制量产规模。适合传统大规模加工生产的设计图形大多是矩形-正交体系的，而建筑/空间/展览/生活中丰富多彩的造型，往往需要定制，耗时耗力，价格不菲，而且这种制作过程只能是一次性的，浪费惊人。

能否像生产可拼接的瓷砖那样制造一件有着柔和曲线的家具？虽然计算机数控技术（Computational Numerical Control, CNC）扩大了可以自由加工的平面图形范围，但制作轮廓复杂的曲线图形仍然需要复杂的加工-品控流程，引入一次性模具或者精加工，同时也不可避免地产生大量无法使用的边角废料，并且这些曲线产品无法和其它产品配合使用。因此，目前绝大部分此类产品都是基于正交体系的矩形网格衍生出来的图形，相对呆板，不符合人体工学原理和认知心理，替代性的曲线产品则大多是一次性模制的，同样存在着加工的性价比和彼此不能匹配的问题。

如何在丰富多彩的设计形式和设计生产所追求的效率之间获取适当的平衡？解决这个问题有助于极大地降低国民经济占比较大的日用品的生产成本，提高文创文旅事业乃至建筑业-装潢装修行业的制造水平。

2. 解决方案

本团队基于六边形密铺网格和自镶嵌图形的原理研发了一套图形生成算法，理论上，未来它将可用于优化任意复杂图形，并产生一套配套的设计生产对策。

1）基于计算机图形算法和数论统计学原理，首先研究了通过切分规则圆形来拟合任意曲线边界的一般方法；

2）优化算法生成有限数量的图形模块，切割预制化矩形板材或面材，基本无浪费地得到一系列可以自拼合的曲线轮廓图形，包含不同尺寸的圆弧线，直线及直边；

3）同时，通过排列组合以上图形模块，形成多种设计原型，针对不同的设计场景，这些原型可以合理分配产生不同用途。

图1 本项目算法生成的板材加工方案

图2 乡村篮球场设计

图3 展示自拼合图形原理的积木教具

图4 展览装置设计

图5 家具设计