典型案例：創(chuàng)成式設計與增材制造結(jié)合的獨特魅力

來源：安世亞太
作者：張效軍

創(chuàng)成式設計（Generative Design）是通過編寫算法和程序來設計的過程,，是一個人機交互,、自我創(chuàng)新的過程,，具體來說由設計師選擇生成模型的策略,、編寫算法,，以人機交互的參數(shù)化建模，根據(jù)客觀的設計目標,，結(jié)合仿真,、優(yōu)化方法，直到獲得最優(yōu)化的設計,。

創(chuàng)成式設計能夠創(chuàng)造出手動建模所不易獲得的設計方案,，它們擁有復雜幾何結(jié)構(gòu)，而增材制造技術(shù)在工業(yè)制造中的應用優(yōu)勢之一是制造復雜的結(jié)構(gòu),，可以說創(chuàng)成式設計與增材制造技術(shù)是天生的“好伙伴”,，創(chuàng)成式設計將進一步釋放增材制造的應用潛能。

之前,，我們介紹了創(chuàng)成式設計的起源與概念,，創(chuàng)成式設計的方法流程，以及軟件特征和實現(xiàn)方法,。接下來,，將通過創(chuàng)成式設計綜述（三）之典型案例的分享，來展現(xiàn)創(chuàng)成式設計與增材制造結(jié)合的獨特魅力,。

創(chuàng)成式設計+ 增材制造的輪轂定制
在過去的100年里發(fā)展起來的大規(guī)模生產(chǎn)滿足了大眾的各種基本需求,。以汽車為例，大規(guī)模生產(chǎn)使得家家戶戶都能夠買得起車,，汽車作為交通工具的基本功能得以實現(xiàn),。但是，除此之外,，人們其實還有更高級的需求,，如：對美的追求，希望與眾不同,，彰顯個性,。但在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，這些需求被大大地壓縮,，人們只能從有限的選項（如：幾種顏色,、幾種材質(zhì)、幾款樣式等）中去選擇,，滿足個性化需求,，對于大眾來說，幾乎是不可能的,�,；�于傳統(tǒng)制造工藝和傳統(tǒng)設計方法的個性化定制就是“昂貴”的代名詞，它意味著要有設計師專門進行個性化設計,，制造商要進行單件制造,，而單件制造的費用可能與100件甚至1000件一樣,，設計師的的設計費用更是可能高至天價。

現(xiàn)在,，隨著增材制造技術(shù)和工藝的日益成熟,，增材制造生產(chǎn)1000件不同的產(chǎn)品和生產(chǎn)1000件相同的產(chǎn)品，成本幾乎不會增加,，這為大規(guī)模個性化定制的實現(xiàn)提供了必要條件,。但還不夠，還缺乏一個充分條件——廉價高效的個性化設計 ,。傳統(tǒng)的基于設計師手繪式設計+手工CAD建模的設計方式設計的是單一模型,，有多少個性化需求，設計師就得做多少個設計,，這無論從設計師數(shù)量還是設計靈感上都是無法達到的,。而創(chuàng)成式設計正是這種廉價高效的個性化設計的方法，它不再依賴手工建模創(chuàng)建單一模型,，而是基于規(guī)則編寫算法生成模型,，一套規(guī)則可以生成無數(shù)種模型。設計師的任務已經(jīng)變?yōu)閯?chuàng)建規(guī)則,，編寫設計程序了,，生成模型的任務交給計算機自動完成。最終的個性化模型是由一組合適個性化的參數(shù)或條件來確定的,。有了創(chuàng)成式設計加上增材制造工藝,，就已經(jīng)具備了大規(guī)模個性化定制的充要條件。

以輪轂為例,，我們看看如何應用創(chuàng)成式設計和增材制造實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制,。汽車輪轂是最體現(xiàn)汽車個性化的部件之一，對輪轂的需求既有美觀,，又有性能、輕量化,、節(jié)能等各個方面,。許多愛車的朋友購車后都會進行輪轂改裝，在改進性能的同時,，彰顯自己的與眾不同,。輪轂設計既有需要標準化的部分，也有可發(fā)揮創(chuàng)造力的造型設計,，但是無論造型如何變化,，滿足力學性能的設計目標不能變。

首先,，標準化的輪輞部分,，可以通過參照標準中提供的幾何關(guān)系建立編程規(guī)則,，通過編程實現(xiàn)輪輞的參數(shù)化建模。

圖 1 輪輞參數(shù)化模型

再來看輪輻的創(chuàng)成式設計,，我們可以通過定義幾何關(guān)系來確定模型生成規(guī)則,。如果我定義一種這樣的幾何關(guān)系：輪輻為成組的分支結(jié)構(gòu)，分支節(jié)點位于一系列同心圓上,，層間可以扭轉(zhuǎn),，分組數(shù)、分支層數(shù),、扭轉(zhuǎn)角,、同心圓半徑分別為在一定范圍內(nèi)可變的參數(shù)。那么當我們改變?nèi)我鈪��?shù)的時候,，就會生成不同的結(jié)果,。假設分組數(shù)可取10個數(shù)值、分層數(shù)可取4個數(shù)值,、扭轉(zhuǎn)角可取20個數(shù)值,、同心圓半徑組合可取50種，扭轉(zhuǎn)范圍可取10種組合的話,，那么生成的結(jié)果將會有400,000種,。這里我們僅展示其中的幾十種，如圖2所示,。這里描述的規(guī)則示例,，只是一類規(guī)則，我們還可以創(chuàng)建其他形式的規(guī)則,，以生成不同于分支結(jié)構(gòu)的風格樣式,。

圖 2  輪輻的創(chuàng)成式設計

創(chuàng)成式設計非常靈活，根據(jù)輕量化目標,，可以加入鏤空的結(jié)構(gòu)元素,，如圖3所示。這些鏤空元素也是隨著輪輻形式以及輪轂規(guī)格的變化,，按照規(guī)則自動生成的,。

圖 3 輪轂的輕量化結(jié)構(gòu)

創(chuàng)成設計過程關(guān)注的是需求、功能,、性能等需求,，得到的結(jié)果無論多么復雜，都可以通過增材制造制造出來,，并且沒有增加成本,。根據(jù)用戶的喜好，每一款輪轂的樣式都可以不同，無論小批量定制,，還是大規(guī)模定制化,，都不增加成本，這是增材制造的最大優(yōu)勢之一,。

圖 4 增材制造的輪轂

未來的個性化創(chuàng)成式設計可以是用戶參與的,。設計師設計的不同類別風格的程序打包后發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)上，開放一些參數(shù)給用戶,，由用戶自主調(diào)節(jié),，即用戶參與的創(chuàng)成式設計，隨著用戶改變參數(shù),，結(jié)果千變?nèi)f化,，選定樣式、材質(zhì)等,，完成在線定制下單,。用一個公式描述就是：創(chuàng)成式設計+增材制造=你參與設計+為你制造= 100%用戶滿意+ 尊享體驗。

創(chuàng)成式變晶格設計
形狀變化可以由參數(shù)的變化來控制,。如果設計巧妙,，一個參數(shù)就可以生成復雜的變化。以圖5的實例為例來看,，在一個四邊形中,，我們?nèi)∫粋�頂點和與其相鄰的兩邊上的中點，該頂點與四邊形的中心點連接直線,，在直線上取一點,，與上述相鄰兩邊的中點構(gòu)成的3個點生成一條NURBS曲線，我們可以用一個參數(shù)來確定直線上點的位置,，當改變參數(shù)時,，點隨之移動，相應地NURBS曲線也隨之改變,。我們把這種變化擴展到整個四邊形以及六面體上,，觀察基于NURBS曲線生成的晶胞隨參數(shù)的變化，再擴到多個晶格陣列時,，觀察晶格隨參數(shù)的變化�,，F(xiàn)在，如果我們把這個參數(shù)和晶格單元中心點所在的位置的坐標關(guān)聯(lián)起來,，以某種規(guī)律和數(shù)學方程求出參數(shù)變化規(guī)則來控制陣列中的每個晶格的形狀和填充率，就會產(chǎn)生比較奇妙的變化,。

圖 5 創(chuàng)成式設計變晶格

無人機設計
無人機除了最早軍事領域的應用外,，在工業(yè)和商用領域也愈發(fā)值得關(guān)注，這是由于無人機能夠訪問人類（或其他種機器）根本無法進入的地方。例如人道主義組織和救援服務機構(gòu)已經(jīng)在利用無人機對自然災害發(fā)生后交通阻斷的地區(qū)進行調(diào)查,，其他采用無人機的行業(yè)包括農(nóng)業(yè),、采礦、石油/天然氣和建筑等等,，物流/配送也是一個非常引人注目的領域,。

更多更廣泛領域的應用，則需要無人機在大載重,、長航時上有更大的突破,。通常除了考慮運行環(huán)境外，尺寸和重量是影響無人機飛行的兩個重要因素,，也是影響載重和長航時的重要因素,。一般來說自重越輕，相對可以增加載重量,。本案例中對無人機架的設計主要目標即在不影響無人機各項飛行能力情況下,，減小無人機自重。

無人機原始設計是采用注塑殼體,，重量較重,。其中旋轉(zhuǎn)機翼、電池倉等位置及尺寸是確定的,，無其他約束,。底面考慮攜帶其他物體，做了分級Voronoi,。采用創(chuàng)成式設計實現(xiàn)輕量化,。采用框架結(jié)構(gòu)，框架的形狀由幾個參數(shù)確定,，改變參數(shù)時,，模型自動重新生成。

圖6 無人機架創(chuàng)成式設計動畫

—作者—

張效軍
機械電子工程專業(yè)工學碩士,，中國機械工程學會 注冊機械設計工程師,，高級工程師。現(xiàn)任安世亞太公司先進設計與制造高級技術(shù)專家,、創(chuàng)新咨詢專家,。