3D打印與生成式設(shè)計

導(dǎo)讀：生成式設(shè)計（衍生式設(shè)計）是一種計算機(jī)和 AI 驅(qū)動的設(shè)計過程,，能夠根據(jù)用戶預(yù)定義的需求和約束自動創(chuàng)建產(chǎn)品�,；蛘�,，簡而言之，軟件根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品屬性和設(shè)計目標(biāo)來設(shè)計零件或產(chǎn)品,。3D打印在制造衍生式設(shè)計的零件方面有足夠的優(yōu)勢,。



在生成式設(shè)計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，計算機(jī)設(shè)計生成的結(jié)果就會越好,。通過軟件設(shè)計出的產(chǎn)品,，一般會具有曲線型外觀和類似于樹枝形狀或骨骼的結(jié)構(gòu)。生成式設(shè)計被比作自然界為獲得最佳結(jié)構(gòu)而經(jīng)歷的進(jìn)化試錯過程,，而且速度要快得多,。使用生成式設(shè)計有很多的優(yōu)勢，比如節(jié)約材料的同時保證高強(qiáng)度等,。


△使用 Dassault Systèmes 的 CATIA 軟件通過衍生式設(shè)計優(yōu)化基本支架以節(jié)省材料并保持強(qiáng)度（來源：Dassault Systèmes）

如上圖所示,，右邊的支架是原來的設(shè)計,。左邊的支架是為了減少材料用量而優(yōu)化的部分，同時保持相同的強(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)計通常非常復(fù)雜,，只能通過 3D 打印方法制造,。

衍生式設(shè)計雖然如此強(qiáng)大，但它不會取代設(shè)計師或工程師,。衍生式設(shè)計軟件只是他們用來加速設(shè)計和優(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)計師在短時間內(nèi)很難做到的。

許多軟件產(chǎn)品都擁有生成設(shè)計功能,，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。但是,，它們不會生成幾十個或數(shù)百個選項(xiàng),，而是會改進(jìn)單個部分（這聽起來很像參數(shù)化設(shè)計）。這兩個概念相似,，但生成式設(shè)計通常與設(shè)計的多個選​​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)計軟件
形狀優(yōu)化算法或拓?fù)鋬?yōu)化長期以來一直在處理最基本的工程問題之一：如何用盡可能少的材料制造出足夠堅固的零件,。如今的 AI 衍生式設(shè)計更進(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)計分析結(jié)束時,，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)目要求的可隨時制造的設(shè)計解決方案,。


△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（來源：Autodesk）

衍生式設(shè)計是一種創(chuàng)造工具，與許多其他計算機(jī)輔助流程一樣,，它需要人來驅(qū)動,。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算機(jī)科學(xué)的概念GIGO（“garbage in, garbage out”）,，錯誤的輸入數(shù)據(jù)會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果,。盡管生成設(shè)計工具幾乎可以讓任何人掌握復(fù)雜的設(shè)計，但不要低估正確定義所需零件的初始條件所需的技能,。一般來說,，生成設(shè)計軟件解決問題所需的信息包括：

●設(shè)計空間的物理約束，包括新零件在更大裝配中的每個接口（如安裝孔）和新零件不能占據(jù)的空間,。生成式設(shè)計通常用于重新設(shè)計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)或簡化以承受運(yùn)動或操作的壓力,。

●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，3D打印本身具有極高的靈活性,，非常適合衍生式設(shè)計的零件制造,。

●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)計解決方案以滿足項(xiàng)目的要求,。


△使用衍生式設(shè)計優(yōu)化的摩托車后軸（來源：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)計開始,，分析其中的應(yīng)力分布。然后軟件啟動其迭代創(chuàng)建過程,，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)計研究將產(chǎn)生多種設(shè)計解決方案�,，F(xiàn)在是人類專業(yè)人員再次介入并根據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)選擇一個或幾個解決方案的時候了,。生成式設(shè)計軟件還可以幫助用戶通過不同的數(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)計并不能保證生成式設(shè)計能夠成為最優(yōu)的解決方案。有時項(xiàng)目的要求過于苛刻,，算法無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)計的好處是什么,？


△優(yōu)勢包括更好的性能、降低成本和零件整合（來源：Siemens Digital Industries Software）

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了衍生式設(shè)計的實(shí)際含義及其功能,，讓我們來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)計消除了與傳統(tǒng)設(shè)計過程相關(guān)的所有創(chuàng)造力限制，創(chuàng)造出人類無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探索解決方案。

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

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

●減少人為錯誤。通過將大部分設(shè)計過程自動化,，可以降低將人為錯誤引入設(shè)計的風(fēng)險,。

●降低成本。通過以更少的材料使用提供高性能設(shè)計,，并通過減少開發(fā)時間和產(chǎn)品上市時間,，可以節(jié)省資金。

●部分合并,。尤其是在采用增材制造工藝時，工程師可以探索整合零件并用單個零件替換整個組件的機(jī)會,。這會對供應(yīng)鏈和維護(hù)計劃產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)影響,。

算法與美學(xué)：衍生式設(shè)計的未來


△Ayoub Ahmad 為 3D 打印設(shè)計的超級跑車數(shù)字渲染圖（來源：Ayoub Ahmad）

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能在我們?nèi)粘Ｉ�活中變得越來越普遍，衍生式設(shè)計可能會成為產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)范這項(xiàng)技術(shù)提供的設(shè)計不僅會對行業(yè)產(chǎn)生積極影響,，還會對環(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)計零部件,。