看創(chuàng)成式設計與3D打印如何釋放創(chuàng)新能力

在3D打印產(chǎn)品的設計領域，創(chuàng)成式設計是一個常被提到的概念。那么，究竟創(chuàng)成式設計與3D打印有著怎樣的結合點呢？ 簡單來說，創(chuàng)成式設計能夠創(chuàng)造出手動建模不易獲得的設計方案，它們擁有不同尋常的復雜幾何結構，而3D打印技術由于可以將復雜的設計轉化為現(xiàn)實，注定已成為創(chuàng)成式設計的“好伙伴”。

接下來，分享軟件公司Autodesk 的幾個創(chuàng)成式設計應用案例與他們對創(chuàng)成式設計的詮釋，從中我們可以進一步了解創(chuàng)成式設計與拓撲優(yōu)化的區(qū)別，以及創(chuàng)成式設計和3D打印為產(chǎn)品設計創(chuàng)新帶來的非凡想象。

實現(xiàn)設計的自我創(chuàng)新
首先來看三個制造業(yè)企業(yè)通過Autodesk 創(chuàng)成式設計所實現(xiàn)的設計創(chuàng)新案例。

摩托車后懸架部件創(chuàng)新
這是一個通過創(chuàng)成式設計摩托車部件的案例。

以下是創(chuàng)成式軟件給出的摩托車后懸掛架部件的設計方案，以及對部件增材制造和機械加工過程的仿真模擬。

通用汽車為了給電動汽車減重，采用Autodesk創(chuàng)成式設計軟件重新設計了汽車座椅安全帶支架。由于這個支架是不需要顯露在外部的，因此其外觀并不是優(yōu)先考慮的因素。在設計這款支架時需要優(yōu)先考慮的因素是重量，安全性，部件數(shù)量的減少，以及可持續(xù)性和可制造性。

采用創(chuàng)成式設計方式設計支架時，由工程師定義設計參數(shù)，如材料、尺寸、重量、強度、制造方法和成本約束，然后基于算法輸出符合這些標準的多個設計選項。在這個案例中，軟件產(chǎn)生了超過150種有效的設計選項。設計師和工程師可以檢查每個選項并選擇最符合其規(guī)定要求的設計。最終，新支架比原來的部件輕40％，強20％，并將八個不同的部件整合到一個3D打印部件中。

自動生成模塊化機艙隔板
空中客車公司使用創(chuàng)成式設計來探索飛機艙隔板的創(chuàng)新設計。創(chuàng)成式設計是項目成功的關鍵，設計師有著非常明確的目標和約束，該機艙結構只能通過四個點連接到機身上，而且為了滿足應急需要，機艙隔板中的一部分要求能夠方便的進行拆除。

機艙隔板采用模塊化設計，模塊能夠像網(wǎng)絡一樣連接起來。通過創(chuàng)成式設計軟件的算法，設計團隊探索了這些模塊化隔板的數(shù)千種變化。最終的機艙隔板設計方案是由122個3D打印部件組合在一起的。該設計的重量只是之前設計的一半 ，這將為航空公司節(jié)省數(shù)百萬美元的燃料成本，同時能夠滿足安全要求。

在多種設計中擇優(yōu)選擇
以上案例采用的不是拓撲優(yōu)化設計，而是從問題和期望的結果開始，將設計留給創(chuàng)成式設計。或許你已經(jīng)體會到，創(chuàng)成式設計是一種能夠自動實現(xiàn)設計創(chuàng)新的方式。計算機不會受到時間和精力的限制，它可以探索多個有效選項。得益于3D打印等先進制造技術，最終優(yōu)化的設計選項都可以制造出來。

根據(jù)觀察，在3D打印零部件設計領域，提到最多的可能是拓撲優(yōu)化,有時兩者還會被混淆。創(chuàng)成式設計和拓撲優(yōu)化都是使產(chǎn)品設計更為優(yōu)化的設計方式，但兩者之間是存在明顯區(qū)別的。簡單來說，拓撲優(yōu)化是在現(xiàn)有設計基礎上得到更加優(yōu)化的設計，而創(chuàng)成式設計則是自我創(chuàng)新的設計。

拓撲優(yōu)化是結構優(yōu)化的一種，是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法。拓撲優(yōu)化常見的是根據(jù)邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優(yōu)化，最常用于從設計中移除材料，然后進行仿真驗證，揭示滿足力學性能的輕量化設計。出于這個原因，它是輕量化現(xiàn)有設計的有效方式，是縮短增材制造設計過程的重要手段。

拓撲優(yōu)化設計所優(yōu)化的是給定的設計，如果這個設計是設計師通過傳統(tǒng)設計方式創(chuàng)建的，那么它本質上是設計師對于如何解決問題的最佳猜測，這種預定幾何體的方法本身就已經(jīng)有了限定，同時也就會約束在這個基礎上所得到的優(yōu)化設計方案。因為設計師會在有意無意的情況下，將制造約束情況考慮在內，此時的拓撲優(yōu)化只能是在這些受到約束的幾何體基礎上提供一個最優(yōu)方案。

然而，依賴于計算機算法實現(xiàn)自我創(chuàng)新設計的創(chuàng)成式設計方法則不會像人類大腦一樣受到約束，它可以避免設計師人為的設計習慣和局限。這是由于創(chuàng)成式設計并不是基于設計師預定義的模型，而是輸入設計意圖，同時設定參數(shù)，并通過軟件算法來探索每個幾何選項，根據(jù)限定參數(shù)提供數(shù)以百計的選項，算法將自動進行調整判斷，篩選出設計給設計者決策，直到獲得最優(yōu)化的設計。

通過自動生成許多不同的設計，創(chuàng)成式設計軟件可以使設計人員和工程師免于重復性設計任務，并使他們專注于更高價值的決策選擇，包括最大限度地提高零件性能，最終創(chuàng)造出擁有不尋常的復雜幾何結構設計作品。

應用創(chuàng)成式設計需要改變思維方式，將計算機作為真正的合作伙伴。在創(chuàng)成式設計的輔助下，產(chǎn)品設計將更加精彩。制造商將以更少的時間和更高的創(chuàng)新程度提供比以往更多的產(chǎn)品設計。根據(jù)市場觀察，創(chuàng)成式設計與人工智能、虛擬現(xiàn)實、3D打印等新技術日益融合，將設計過程變得更加智能，讓設計的門檻進一步降低。

來源：3D科學谷