3D打印與生成式設(shè)計(jì)

導(dǎo)讀：生成式設(shè)計(jì)（衍生式設(shè)計(jì)）是一種計(jì)算機(jī)和 AI 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,，能夠根據(jù)用戶預(yù)定義的需求和約束自動(dòng)創(chuàng)建產(chǎn)品,�,；蛘撸���(jiǎn)而言之,，軟件根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品屬性和設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)零件或產(chǎn)品,。3D打印在制造衍生式設(shè)計(jì)的零件方面有足夠的優(yōu)勢(shì)。



在生成式設(shè)計(jì)軟件中輸入的變量越多,，例如預(yù)期用途,、制造方法、可用材料等,，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生成的結(jié)果就會(huì)越好,。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，一般會(huì)具有曲線型外觀和類(lèi)似于樹(shù)枝形狀或骨骼的結(jié)構(gòu),。生成式設(shè)計(jì)被比作自然界為獲得最佳結(jié)構(gòu)而經(jīng)歷的進(jìn)化試錯(cuò)過(guò)程,，而且速度要快得多。使用生成式設(shè)計(jì)有很多的優(yōu)勢(shì),，比如節(jié)約材料的同時(shí)保證高強(qiáng)度等,。


△使用 Dassault Systèmes 的 CATIA 軟件通過(guò)衍生式設(shè)計(jì)優(yōu)化基本支架以節(jié)省材料并保持強(qiáng)度（來(lái)源：Dassault Systèmes）

如上圖所示，右邊的支架是原來(lái)的設(shè)計(jì),。左邊的支架是為了減少材料用量而優(yōu)化的部分,，同時(shí)保持相同的強(qiáng)度和符合相同的尺寸。最終支架可以注塑成型,、機(jī)械加工或 3D 打印,。人工智能生成的設(shè)計(jì)通常非常復(fù)雜，只能通過(guò) 3D 打印方法制造,。

衍生式設(shè)計(jì)雖然如此強(qiáng)大,，但它不會(huì)取代設(shè)計(jì)師或工程師。衍生式設(shè)計(jì)軟件只是他們用來(lái)加速設(shè)計(jì)和優(yōu)化零件的工具,。AI 可以產(chǎn)生多種多樣的結(jié)果,，比較不同結(jié)果之間的差異，尋找最優(yōu)解,，這是設(shè)計(jì)師在短時(shí)間內(nèi)很難做到的,。

許多軟件產(chǎn)品都擁有生成設(shè)計(jì)功能，這些功能使用算法將零件需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品幾何和設(shè)計(jì),。但是,，它們不會(huì)生成幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)選項(xiàng)，而是會(huì)改進(jìn)單個(gè)部分（這聽(tīng)起來(lái)很像參數(shù)化設(shè)計(jì)）,。這兩個(gè)概念相似,，但生成式設(shè)計(jì)通常與設(shè)計(jì)的多個(gè)選​​項(xiàng)相關(guān)聯(lián)，而不是與多次迭代相關(guān)聯(lián)。

衍生式設(shè)計(jì)軟件
形狀優(yōu)化算法或拓?fù)鋬?yōu)化長(zhǎng)期以來(lái)一直在處理最基本的工程問(wèn)題之一：如何用盡可能少的材料制造出足夠堅(jiān)固的零件,。如今的 AI 衍生式設(shè)計(jì)更進(jìn)了一步,，提供了大量的選擇。重要的一點(diǎn)是,，工程師不再受限于他們的技能水平,、經(jīng)驗(yàn)或創(chuàng)造力。在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)分析結(jié)束時(shí),，工程師將獲得可進(jìn)一步探索和完善的概念,，或完全符合重量、負(fù)載,、材料等所有項(xiàng)目要求的可隨時(shí)制造的設(shè)計(jì)解決方案,。


△Autodesk 的 Fusion 360 軟件使工程師能夠優(yōu)化組件以減少材料使用并優(yōu)化功能（來(lái)源：Autodesk）

衍生式設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造工具，與許多其他計(jì)算機(jī)輔助流程一樣,，它需要人來(lái)驅(qū)動(dòng),。因此，成功與用戶輸入的數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān),。這里我們可以借用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念GIGO（“garbage in, garbage out”）,，錯(cuò)誤的輸入數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。盡管生成設(shè)計(jì)工具幾乎可以讓任何人掌握復(fù)雜的設(shè)計(jì),，但不要低估正確定義所需零件的初始條件所需的技能,。一般來(lái)說(shuō)，生成設(shè)計(jì)軟件解決問(wèn)題所需的信息包括：

●設(shè)計(jì)空間的物理約束,，包括新零件在更大裝配中的每個(gè)接口（如安裝孔）和新零件不能占據(jù)的空間,。生成式設(shè)計(jì)通常用于重新設(shè)計(jì)零件以占用更小的空間。

●力和載荷的邊界條件,，包括哪些區(qū)域需要加強(qiáng)或簡(jiǎn)化以承受運(yùn)動(dòng)或操作的壓力,。

●標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)設(shè)定，例如最小化零件的質(zhì)量或成本,，以及定義項(xiàng)目所需的安全系數(shù),。

●制造工藝的可實(shí)現(xiàn)性，這就是3D打印制造的優(yōu)勢(shì),，3D打印本身具有極高的靈活性,，非常適合衍生式設(shè)計(jì)的零件制造。

●制造的材料,。如果選用的材料不止一種,，將為每種材料提供不同的設(shè)計(jì)解決方案以滿足項(xiàng)目的要求。


△使用衍生式設(shè)計(jì)優(yōu)化的摩托車(chē)后軸（來(lái)源：Autodesk）

有了所有這些初始輸入（還有更多選項(xiàng)）,，衍生式設(shè)計(jì)工具就可以發(fā)揮它的魔力了,。通常從未優(yōu)化的通用設(shè)計(jì)開(kāi)始,，分析其中的應(yīng)力分布,。然后軟件啟動(dòng)其迭代創(chuàng)建過(guò)程,，即在高應(yīng)力區(qū)域添加材料，在低應(yīng)力區(qū)域減少材料,，并重新檢查整體應(yīng)力分布,。它不斷重復(fù)這些步驟，直到滿足預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn),。

成功的衍生式設(shè)計(jì)研究將產(chǎn)生多種設(shè)計(jì)解決方案�,，F(xiàn)在是人類(lèi)專(zhuān)業(yè)人員再次介入并根據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)或幾個(gè)解決方案的時(shí)候了。生成式設(shè)計(jì)軟件還可以幫助用戶通過(guò)不同的數(shù)據(jù)可視化功能進(jìn)行選擇,，以比較解決方案,。要注意的是，衍生式設(shè)計(jì)并不能保證生成式設(shè)計(jì)能夠成為最優(yōu)的解決方案,。有時(shí)項(xiàng)目的要求過(guò)于苛刻,，算法無(wú)法提出可能的解決方案。如果是這種情況,，用戶需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn),、約束條件或材料并再次運(yùn)行研究。

衍生式設(shè)計(jì)的好處是什么,？


△優(yōu)勢(shì)包括更好的性能,、降低成本和零件整合（來(lái)源：Siemens Digital Industries Software）

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了衍生式設(shè)計(jì)的實(shí)際含義及其功能，讓我們來(lái)確定在零件制造中應(yīng)用這些工具的實(shí)際好處：

●創(chuàng)造力,。生成式設(shè)計(jì)消除了與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)的所有創(chuàng)造力限制,，創(chuàng)造出人類(lèi)無(wú)法想象的最佳非常規(guī)形狀和形式。

●平衡優(yōu)先事項(xiàng),。它可以根據(jù)給定站點(diǎn)上已有的性能方面和制造能力來(lái)探索解決方案,。

●減少分析。內(nèi)置的測(cè)試和計(jì)算模擬減少了任何進(jìn)一步昂貴的虛擬計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 分析,。

●減少工作量,。它將專(zhuān)業(yè)人員從繁瑣的反復(fù)試驗(yàn)任務(wù)中解放出來(lái)，并通過(guò)提供數(shù)百種可行的設(shè)計(jì)解決方案來(lái)提高工作效率,。

●減少人為錯(cuò)誤,。通過(guò)將大部分設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化，可以降低將人為錯(cuò)誤引入設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn),。

●降低成本,。通過(guò)以更少的材料使用提供高性能設(shè)計(jì)，并通過(guò)減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和產(chǎn)品上市時(shí)間,，可以節(jié)省資金,。

●部分合并,。尤其是在采用增材制造工藝時(shí)，工程師可以探索整合零件并用單個(gè)零件替換整個(gè)組件的機(jī)會(huì),。這會(huì)對(duì)供應(yīng)鏈和維護(hù)計(jì)劃產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)影響,。

算法與美學(xué)：衍生式設(shè)計(jì)的未來(lái)


△Ayoub Ahmad 為 3D 打印設(shè)計(jì)的超級(jí)跑車(chē)數(shù)字渲染圖（來(lái)源：Ayoub Ahmad）

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能在我們?nèi)粘Ｉ�活中變得越�?lái)越普遍，衍生式設(shè)計(jì)可能會(huì)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)范這項(xiàng)技術(shù)提供的設(shè)計(jì)不僅會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生積極影響,，還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極影響,，因?yàn)樯�產(chǎn)日常產(chǎn)品所需的資源會(huì)更少。目前衍生式軟件發(fā)展的也很迅速,，其中包括 Fusion 360,、Creo Generative Design Extension、Ansys Discovery,、nTopology,、Dassault Systèmes CATIA Generative Design Engineering 等。您可以使用這些軟件并結(jié)合3D打印工藝創(chuàng)造屬于自己的衍生式設(shè)計(jì)零部件,。