3D打印与生成式设计

导读：生成式设计（衍生式设计）是一种计算机和 AI 驱动的设计过程，能够根据用户预定义的需求和约束自动创建产品。或者，简而言之，软件根据用户提出的产品属性和设计目标来设计零件或产品。3D打印在制造衍生式设计的零件方面有足够的优势。



在生成式设计软件中输入的变量越多，例如预期用途、制造方法、可用材料等，计算机设计生成的结果就会越好。通过软件设计出的产品，一般会具有曲线型外观和类似于树枝形状或骨骼的结构。生成式设计被比作自然界为获得最佳结构而经历的进化试错过程，而且速度要快得多。使用生成式设计有很多的优势，比如节约材料的同时保证高强度等。


△使用 Dassault Systèmes 的 CATIA 软件通过衍生式设计优化基本支架以节省材料并保持强度（来源：Dassault Systèmes）

如上图所示，右边的支架是原来的设计。左边的支架是为了减少材料用量而优化的部分，同时保持相同的强度和符合相同的尺寸。最终支架可以注塑成型、机械加工或 3D 打印。人工智能生成的设计通常非常复杂，只能通过 3D 打印方法制造。

衍生式设计虽然如此强大，但它不会取代设计师或工程师。衍生式设计软件只是他们用来加速设计和优化零件的工具。AI 可以产生多种多样的结果，比较不同结果之间的差异，寻找最优解，这是设计师在短时间内很难做到的。

许多软件产品都拥有生成设计功能，这些功能使用算法将零件需求转化为产品几何和设计。但是，它们不会生成几十个或数百个选项，而是会改进单个部分（这听起来很像参数化设计）。这两个概念相似，但生成式设计通常与设计的多个选​​项相关联，而不是与多次迭代相关联。

衍生式设计软件
形状优化算法或拓扑优化长期以来一直在处理最基本的工程问题之一：如何用尽可能少的材料制造出足够坚固的零件。如今的 AI 衍生式设计更进了一步，提供了大量的选择。重要的一点是，工程师不再受限于他们的技能水平、经验或创造力。在创成式设计分析结束时，工程师将获得可进一步探索和完善的概念，或完全符合重量、负载、材料等所有项目要求的可随时制造的设计解决方案。


△Autodesk 的 Fusion 360 软件使工程师能够优化组件以减少材料使用并优化功能（来源：Autodesk）

衍生式设计是一种创造工具，与许多其他计算机辅助流程一样，它需要人来驱动。因此，成功与用户输入的数据质量有关。这里我们可以借用计算机科学的概念GIGO（“garbage in, garbage out”），错误的输入数据会产生错误的结果。尽管生成设计工具几乎可以让任何人掌握复杂的设计，但不要低估正确定义所需零件的初始条件所需的技能。一般来说，生成设计软件解决问题所需的信息包括：

●设计空间的物理约束，包括新零件在更大装配中的每个接口（如安装孔）和新零件不能占据的空间。生成式设计通常用于重新设计零件以占用更小的空间。

●力和载荷的边界条件，包括哪些区域需要加强或简化以承受运动或操作的压力。

●标准或目标设定，例如最小化零件的质量或成本，以及定义项目所需的安全系数。

●制造工艺的可实现性，这就是3D打印制造的优势，3D打印本身具有极高的灵活性，非常适合衍生式设计的零件制造。

●制造的材料。如果选用的材料不止一种，将为每种材料提供不同的设计解决方案以满足项目的要求。


△使用衍生式设计优化的摩托车后轴（来源：Autodesk）

有了所有这些初始输入（还有更多选项），衍生式设计工具就可以发挥它的魔力了。通常从未优化的通用设计开始，分析其中的应力分布。然后软件启动其迭代创建过程，即在高应力区域添加材料，在低应力区域减少材料，并重新检查整体应力分布。它不断重复这些步骤，直到满足预定义的标准。

成功的衍生式设计研究将产生多种设计解决方案。现在是人类专业人员再次介入并根据自己的标准和经验选择一个或几个解决方案的时候了。生成式设计软件还可以帮助用户通过不同的数据可视化功能进行选择，以比较解决方案。要注意的是，衍生式设计并不能保证生成式设计能够成为最优的解决方案。有时项目的要求过于苛刻，算法无法提出可能的解决方案。如果是这种情况，用户需要调整标准、约束条件或材料并再次运行研究。

衍生式设计的好处是什么？


△优势包括更好的性能、降低成本和零件整合（来源：Siemens Digital Industries Software）

现在我们已经了解了衍生式设计的实际含义及其功能，让我们来确定在零件制造中应用这些工具的实际好处：

●创造力。生成式设计消除了与传统设计过程相关的所有创造力限制，创造出人类无法想象的最佳非常规形状和形式。

●平衡优先事项。它可以根据给定站点上已有的性能方面和制造能力来探索解决方案。

●减少分析。内置的测试和计算模拟减少了任何进一步昂贵的虚拟计算机辅助工程 (CAE) 分析。

●减少工作量。它将专业人员从繁琐的反复试验任务中解放出来，并通过提供数百种可行的设计解决方案来提高工作效率。

●减少人为错误。通过将大部分设计过程自动化，可以降低将人为错误引入设计的风险。

●降低成本。通过以更少的材料使用提供高性能设计，并通过减少开发时间和产品上市时间，可以节省资金。

●部分合并。尤其是在采用增材制造工艺时，工程师可以探索整合零件并用单个零件替换整个组件的机会。这会对供应链和维护计划产生积极的经济影响。

算法与美学：衍生式设计的未来


△Ayoub Ahmad 为 3D 打印设计的超级跑车数字渲染图（来源：Ayoub Ahmad）

随着物联网和人工智能在我们日常生活中变得越来越普遍，衍生式设计可能会成为产品设计的规范这项技术提供的设计不仅会对行业产生积极影响，还会对环境产生积极影响，因为生产日常产品所需的资源会更少。目前衍生式软件发展的也很迅速，其中包括 Fusion 360、Creo Generative Design Extension、Ansys Discovery、nTopology、Dassault Systèmes CATIA Generative Design Engineering 等。您可以使用这些软件并结合3D打印工艺创造属于自己的衍生式设计零部件。