3D打印與生成式設計

魔猴君  行業資訊   676天前

導讀：生成式設計（衍生式設計）是一種計算機和 AI 驅動的設計過程，能夠根據用戶預定義的需求和約束自動創建產品。或者，簡而言之，軟件根據用戶提出的產品屬性和設計目標來設計零件或產品。3D打印在制造衍生式設計的零件方面有足夠的優勢。

在生成式設計軟件中輸入的變量越多，例如預期用途、制造方法、可用材料等，計算機設計生成的結果就會越好。通過軟件設計出的產品，一般會具有曲線型外觀和類似于樹枝形狀或骨骼的結構。生成式設計被比作自然界為獲得最佳結構而經歷的進化試錯過程，而且速度要快得多。使用生成式設計有很多的優勢，比如節約材料的同時保證高強度等。

△使用 Dassault Systèmes 的 CATIA 軟件通過衍生式設計優化基本支架以節省材料并保持強度（來源：Dassault Systèmes）

如上圖所示，右邊的支架是原來的設計。左邊的支架是為了減少材料用量而優化的部分，同時保持相同的強度和符合相同的尺寸。最終支架可以注塑成型、機械加工或 3D 打印。人工智能生成的設計通常非常復雜，只能通過 3D 打印方法制造。

衍生式設計雖然如此強大，但它不會取代設計師或工程師。衍生式設計軟件只是他們用來加速設計和優化零件的工具。AI 可以產生多種多樣的結果，比較不同結果之間的差異，尋找最優解，這是設計師在短時間內很難做到的。

許多軟件產品都擁有生成設計功能，這些功能使用算法將零件需求轉化為產品幾何和設計。但是，它們不會生成幾十個或數百個選項，而是會改進單個部分（這聽起來很像參數化設計）。這兩個概念相似，但生成式設計通常與設計的多個選項相關聯，而不是與多次迭代相關聯。

衍生式設計軟件

形狀優化算法或拓撲優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 衍生式設計更進了一步，提供了大量的選擇。重要的一點是，工程師不再受限于他們的技能水平、經驗或創造力。在創成式設計分析結束時，工程師將獲得可進一步探索和完善的概念，或完全符合重量、負載、材料等所有項目要求的可隨時制造的設計解決方案。

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

衍生式設計是一種創造工具，與許多其他計算機輔助流程一樣，它需要人來驅動。因此，成功與用戶輸入的數據質量有關。這里我們可以借用計算機科學的概念GIGO（“garbage in, garbage out”），錯誤的輸入數據會產生錯誤的結果。盡管生成設計工具幾乎可以讓任何人掌握復雜的設計，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，生成設計軟件解決問題所需的信息包括：

●設計空間的物理約束，包括新零件在更大裝配中的每個接口（如安裝孔）和新零件不能占據的空間。生成式設計通常用于重新設計零件以占用更小的空間。

●力和載荷的邊界條件，包括哪些區域需要加強或簡化以承受運動或操作的壓力。

●標準或目標設定，例如最小化零件的質量或成本，以及定義項目所需的安全系數。

●制造工藝的可實現性，這就是3D打印制造的優勢，3D打印本身具有極高的靈活性，非常適合衍生式設計的零件制造。

●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計解決方案以滿足項目的要求。

△使用衍生式設計優化的摩托車后軸（來源：Autodesk）

有了所有這些初始輸入（還有更多選項），衍生式設計工具就可以發揮它的魔力了。通常從未優化的通用設計開始，分析其中的應力分布。然后軟件啟動其迭代創建過程，即在高應力區域添加材料，在低應力區域減少材料，并重新檢查整體應力分布。它不斷重復這些步驟，直到滿足預定義的標準。

成功的衍生式設計研究將產生多種設計解決方案。現在是人類專業人員再次介入并根據自己的標準和經驗選擇一個或幾個解決方案的時候了。生成式設計軟件還可以幫助用戶通過不同的數據可視化功能進行選擇，以比較解決方案。要注意的是，衍生式設計并不能保證生成式設計能夠成為最優的解決方案。有時項目的要求過于苛刻，算法無法提出可能的解決方案。如果是這種情況，用戶需要調整標準、約束條件或材料并再次運行研究。

衍生式設計的好處是什么？

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

現在我們已經了解了衍生式設計的實際含義及其功能，讓我們來確定在零件制造中應用這些工具的實際好處：

●創造力。生成式設計消除了與傳統設計過程相關的所有創造力限制，創造出人類無法想象的最佳非常規形狀和形式。

●平衡優先事項。它可以根據給定站點上已有的性能方面和制造能力來探索解決方案。

●減少分析。內置的測試和計算模擬減少了任何進一步昂貴的虛擬計算機輔助工程 (CAE) 分析。

●減少工作量。它將專業人員從繁瑣的反復試驗任務中解放出來，并通過提供數百種可行的設計解決方案來提高工作效率。

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

●降低成本。通過以更少的材料使用提供高性能設計，并通過減少開發時間和產品上市時間，可以節省資金。

●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會。這會對供應鏈和維護計劃產生積極的經濟影響。

算法與美學：衍生式設計的未來

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

隨著物聯網和人工智能在我們日常生活中變得越來越普遍，衍生式設計可能會成為產品設計的規范這項技術提供的設計不僅會對行業產生積極影響，還會對環境產生積極影響，因為生產日常產品所需的資源會更少。目前衍生式軟件發展的也很迅速，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合3D打印工藝創造屬于自己的衍生式設計零部件。

來源：3D打印網