典型案例：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與增材制造結(jié)合的獨(dú)特魅力

來源：安世亞太
作者：張效軍

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

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)能夠創(chuàng)造出手動(dòng)建模所不易獲得的設(shè)計(jì)方案，它們擁有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),，而增材制造技術(shù)在工業(yè)制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一是制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，可以說創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)是天生的“好伙伴”，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將進(jìn)一步釋放增材制造的應(yīng)用潛能,。

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

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)+ 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(shí)現(xiàn)。但是,，除此之外,，人們其實(shí)還有更高級(jí)的需求，如：對(duì)美的追求,，希望與眾不同,，彰顯個(gè)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(xiàng)（如：幾種顏色、幾種材質(zhì),、幾款樣式等）中去選擇,，滿足個(gè)性化需求，對(duì)于大眾來說,，幾乎是不可能的,。基于傳統(tǒng)制造工藝和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的個(gè)性化定制就是“昂貴”的代名詞,，它意味著要有設(shè)計(jì)師專門進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì),，制造商要進(jìn)行單件制造，而單件制造的費(fèi)用可能與100件甚至1000件一樣,，設(shè)計(jì)師的的設(shè)計(jì)費(fèi)用更是可能高至天價(jià),。

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(huì)增加，這為大規(guī)模個(gè)性化定制的實(shí)現(xiàn)提供了必要條件。但還不夠,，還缺乏一個(gè)充分條件——廉價(jià)高效的個(gè)性化設(shè)計(jì) ,。傳統(tǒng)的基于設(shè)計(jì)師手繪式設(shè)計(jì)+手工CAD建模的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的是單一模型，有多少個(gè)性化需求,，設(shè)計(jì)師就得做多少個(gè)設(shè)計(jì),，這無論從設(shè)計(jì)師數(shù)量還是設(shè)計(jì)靈感上都是無法達(dá)到的。而創(chuàng)成式設(shè)計(jì)正是這種廉價(jià)高效的個(gè)性化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師的任務(wù)已經(jīng)變?yōu)閯?chuàng)建規(guī)則,，編寫設(shè)計(jì)程序了，生成模型的任務(wù)交給計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,。最終的個(gè)性化模型是由一組合適個(gè)性化的參數(shù)或條件來確定的,。有了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)加上增材制造工藝，就已經(jīng)具備了大規(guī)模個(gè)性化定制的充要條件,。

以輪轂為例,，我們看看如何應(yīng)用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化定制。汽車輪轂是最體現(xiàn)汽車個(gè)性化的部件之一,，對(duì)輪轂的需求既有美觀,，又有性能、輕量化,、節(jié)能等各個(gè)方面,。許多愛車的朋友購(gòu)車后都會(huì)進(jìn)行輪轂改裝，在改進(jìn)性能的同時(shí),，彰顯自己的與眾不同,。輪轂設(shè)計(jì)既有需要標(biāo)準(zhǔn)化的部分，也有可發(fā)揮創(chuàng)造力的造型設(shè)計(jì),，但是無論造型如何變化,，滿足力學(xué)性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)不能變。

首先,，標(biāo)準(zhǔn)化的輪輞部分,，可以通過參照標(biāo)準(zhǔn)中提供的幾何關(guān)系建立編程規(guī)則，通過編程實(shí)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(shè)計(jì),，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(diǎn)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(dāng)我們改變?nèi)我鈪��?shù)的時(shí)候,，就會(huì)生成不同的結(jié)果。假設(shè)分組數(shù)可取10個(gè)數(shù)值,、分層數(shù)可取4個(gè)數(shù)值,、扭轉(zhuǎn)角可取20個(gè)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(huì)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(fēng)格樣式。

圖 2  輪輻的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)非常靈活,，根據(jù)輕量化目標(biāo),，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(dòng)生成的。

圖 3 輪轂的輕量化結(jié)構(gòu)

創(chuàng)成設(shè)計(jì)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(fù)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(shì)之一。

圖 4 增材制造的輪轂

未來的個(gè)性化創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以是用戶參與的,。設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的不同類別風(fēng)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(shè)計(jì),，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(gè)公式描述就是：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)+增材制造=你參與設(shè)計(jì)+為你制造= 100%用戶滿意+ 尊享體驗(yàn),。

創(chuàng)成式變晶格設(shè)計(jì)
形狀變化可以由參數(shù)的變化來控制,。如果設(shè)計(jì)巧妙，一個(gè)參數(shù)就可以生成復(fù)雜的變化,。以圖5的實(shí)例為例來看,，在一個(gè)四邊形中，我們?nèi)∫粋�(gè)頂點(diǎn)和與其相鄰的兩邊上的中點(diǎn),，該頂點(diǎn)與四邊形的中心點(diǎn)連接直線,，在直線上取一點(diǎn)，與上述相鄰兩邊的中點(diǎn)構(gòu)成的3個(gè)點(diǎn)生成一條NURBS曲線,，我們可以用一個(gè)參數(shù)來確定直線上點(diǎn)的位置,，當(dāng)改變參數(shù)時(shí)，點(diǎn)隨之移動(dòng),，相應(yīng)地NURBS曲線也隨之改變,。我們把這種變化擴(kuò)展到整個(gè)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(kuò)到多個(gè)晶格陣列時(shí),，觀察晶格隨參數(shù)的變化。現(xiàn)在,，如果我們把這個(gè)參數(shù)和晶格單元中心點(diǎn)所在的位置的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來,，以某種規(guī)律和數(shù)學(xué)方程求出參數(shù)變化規(guī)則來控制陣列中的每個(gè)晶格的形狀和填充率，就會(huì)產(chǎn)生比較奇妙的變化,。

圖 5 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)變晶格

無人機(jī)設(shè)計(jì)
無人機(jī)除了最早軍事領(lǐng)域的應(yīng)用外,，在工業(yè)和商用領(lǐng)域也愈發(fā)值得關(guān)注，這是由于無人機(jī)能夠訪問人類（或其他種機(jī)器）根本無法進(jìn)入的地方,。例如人道主義組織和救援服務(wù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)在利用無人機(jī)對(duì)自然災(zāi)害發(fā)生后交通阻斷的地區(qū)進(jìn)行調(diào)查,，其他采用無人機(jī)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(gè)非常引人注目的領(lǐng)域。

更多更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用,，則需要無人機(jī)在大載重,、長(zhǎng)航時(shí)上有更大的突破,。通常除了考慮運(yùn)行環(huán)境外，尺寸和重量是影響無人機(jī)飛行的兩個(gè)重要因素,，也是影響載重和長(zhǎng)航時(shí)的重要因素,。一般來說自重越輕，相對(duì)可以增加載重量,。本案例中對(duì)無人機(jī)架的設(shè)計(jì)主要目標(biāo)即在不影響無人機(jī)各項(xiàng)飛行能力情況下,，減小無人機(jī)自重。

無人機(jī)原始設(shè)計(jì)是采用注塑殼體,，重量較重,。其中旋轉(zhuǎn)機(jī)翼,、電池倉(cāng)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(jí)Voronoi,。采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化。采用框架結(jié)構(gòu),，框架的形狀由幾個(gè)參數(shù)確定,，改變參數(shù)時(shí)，模型自動(dòng)重新生成,。

圖6 無人機(jī)架創(chuàng)成式設(shè)計(jì)動(dòng)畫

—作者—

張效軍
機(jī)械電子工程專業(yè)工學(xué)碩士,，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 注冊(cè)機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，高級(jí)工程師�,，F(xiàn)任安世亞太公司先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造高級(jí)技術(shù)專家,、創(chuàng)新咨詢專家。