看創成式設計與3D打印如何釋放創新能力
發表時間：2018年12月10日瀏覽量：
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在3D打印產品的設計領域，創成式設計是一個常被提到的概念。那么，究竟創成式設計與3D打印有著怎樣的結合點呢？ 簡單來說，創成式設計能夠創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實，注定已成為創成式設計的“好伙伴”。
接下來，分享軟件公司Autodesk 的幾個創成式設計應用案例與他們對創成式設計的詮釋，從中我們可以進一步了解創成式設計與拓撲優化的區別，以及創成式設計和3D打印為產品設計創新帶來的非凡想象。
實現設計的自我創新 首先來看三個制造業企業通過Autodesk 創成式設計所實現的設計創新案例。 摩托車后懸架部件創新 這是一個通過創成式設計摩托車部件的案例。 
以下是創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先考慮的因素。在設計這款支架時需要優先考慮的因素是重量，安全性，部件數量的減少，以及可持續性和可制造性。
采用創成式設計方式設計支架時，由工程師定義設計參數，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成式設計來探索飛機艙隔板的創新設計。創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，模塊能夠像網絡一樣連接起來。通過創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 ，這將為航空公司節省數百萬美元的燃料成本，同時能夠滿足安全要求。 在多種設計中擇優選擇 以上案例采用的不是拓撲優化設計，而是從問題和期望的結果開始，將設計留給創成式設計。或許你已經體會到，創成式設計是一種能夠自動實現設計創新的方式。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，最終優化的設計選項都可以制造出來。 根據觀察，在3D打印零部件設計領域，提到最多的可能是拓撲優化,有時兩者還會被混淆。創成式設計和拓撲優化都是使產品設計更為優化的設計方式，但兩者之間是存在明顯區別的。簡單來說，拓撲優化是在現有設計基礎上得到更加優化的設計，而創成式設計則是自我創新的設計。 拓撲優化是結構優化的一種，是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法。拓撲優化常見的是根據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。 拓撲優化設計所優化的是給定的設計，如果這個設計是設計師通過傳統設計方式創建的，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有了限定，同時也就會約束在這個基礎上所得到的優化設計方案。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，此時的拓撲優化只能是在這些受到約束的幾何體基礎上提供一個最優方案。 然而，依賴于計算機算法實現自我創新設計的創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，并通過軟件算法來探索每個幾何選項，根據限定參數提供數以百計的選項，算法將自動進行調整判斷，篩選出設計給設計者決策，直到獲得最優化的設計。 通過自動生成許多不同的設計，創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，最終創造出擁有不尋常的復雜幾何結構設計作品。 應用創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。在創成式設計的輔助下，產品設計將更加精彩。制造商將以更少的時間和更高的創新程度提供比以往更多的產品設計。根據市場觀察，創成式設計與人工智能、虛擬現實、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 |
