正在改變?cè)O(shè)計(jì)未來的3D打印的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

當(dāng)前在3D打印領(lǐng)域，提到最多的可能是拓?fù)鋬?yōu)化，而不是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。雖然很多場合二者都是混為一談的，但細(xì)究起來創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整來找到一個(gè)（優(yōu)化）模型。拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是對(duì)給定的模型進(jìn)行分析，常見的是根據(jù)邊界條件進(jìn)行有限元分析，然后對(duì)模型變形或刪減來進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計(jì)意圖，通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案的幾何模型，然后進(jìn)行綜合對(duì)比，篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。

通俗理解創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一種通過設(shè)計(jì)軟件中的算法自動(dòng)生成藝術(shù)品、建筑模型、產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)方法。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一種參數(shù)化建模方式，在設(shè)計(jì)的過程中，當(dāng)設(shè)計(jì)師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件包括歐特克的Within，歐特克的Dreamcatcher，西門子的Solid Edge ST10等。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將激發(fā)設(shè)計(jì)師通過手動(dòng)建模不易獲得的思想靈感，創(chuàng)造出擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作品。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的“好伙伴”

CAD設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期。在最早期的文檔時(shí)代，CAD只是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的手段將產(chǎn)品繪制記錄下來，不管是二維的幾何圖形還是三維的產(chǎn)品模型，都是基于覆蓋式、經(jīng)驗(yàn)式的文檔操作；在優(yōu)化時(shí)代，三維CAD開始逐漸成為主流，不管是在建造業(yè)還是制造業(yè)，工程師可以通過真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)字化模型，借助三維可視化的設(shè)計(jì)工具，以及仿真分析工具，讓設(shè)計(jì)結(jié)果越來越優(yōu)化；隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，如今的設(shè)計(jì)師和工程師需要越來越多的洞察用戶需求，讓產(chǎn)品更加富有創(chuàng)意和個(gè)性化，這意味著CAD設(shè)計(jì)將變得更加互聯(lián)化和智能化。這也是歐特克等企業(yè)致力于推動(dòng)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要原因。

在美國知名運(yùn)動(dòng)品牌Under Armour應(yīng)用中，Under Armour利用歐特克衍生式設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)的結(jié)合，來改變鞋掌的設(shè)計(jì)。Under Armour的限量版跑鞋Architect是一款3D打印跑鞋，它可以在運(yùn)動(dòng)過程中隨時(shí)貼合運(yùn)動(dòng)員腳部，獨(dú)特設(shè)計(jì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中底能為運(yùn)動(dòng)員提供穩(wěn)定的腳跟支撐結(jié)構(gòu)和并滿足高強(qiáng)度訓(xùn)練所需的緩沖能力。目前，Architect已經(jīng)可以在Under Armour官網(wǎng)接受消費(fèi)者預(yù)訂了。

西門子的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將拓?fù)鋬?yōu)化引入到 Solid Edge 3D 產(chǎn)品開發(fā)工具包中。 設(shè)計(jì)者可定義特定的材料、設(shè)計(jì)空間、允許的載荷和約束及目標(biāo)權(quán)重，該軟件可自動(dòng)計(jì)算幾何解法。 這些結(jié)果可以立即在 3D 打印機(jī)上進(jìn)行制造，或是在 Solid Edge 中進(jìn)一步優(yōu)化，以用于傳統(tǒng)制造。

Solid Edge創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的提出基于生物進(jìn)化與CAD設(shè)計(jì)結(jié)合，以實(shí)例展示其功能。  在Solid Edge ST10創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中，用戶可以為零件制定負(fù)載，例如力、壓力或扭矩。然后指定與周圍零件有裝配關(guān)系的面，不允許改變。再指定固定的面。就完成了約束條件的設(shè)定。用戶還可以指定研究精度、希望減少的目標(biāo)質(zhì)量和安全系數(shù)。如果要求的安全系數(shù)高，要求質(zhì)量減少幅度又太大，可能無法獲得有效的結(jié)果。然后Solid Edge就進(jìn)行多次迭代運(yùn)算（類似生命體的逐代進(jìn)化），產(chǎn)生最終的優(yōu)化結(jié)果。在優(yōu)化結(jié)果中還能顯示應(yīng)力的分布情況。Solid Edge的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將CAD設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAE分析無縫集成在一起。

可利用西門子 Solid Edge 的工具包（納入了 Siemens 的收斂建模和同步建模技術(shù)）進(jìn)一步修改源于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的優(yōu)化組件。 網(wǎng)格化結(jié)果會(huì)無縫集成到正常的模型編輯過程中，有助于設(shè)計(jì)師獲取手頭任務(wù)所需的最終設(shè)計(jì)。 無需再等待從三角形網(wǎng)格到 B-rep 的冗長又失精確的轉(zhuǎn)換。

在未來的衍生式設(shè)計(jì)中，還將融合人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，將設(shè)計(jì)過程變得更加智能，讓設(shè)計(jì)的門檻進(jìn)一步降低。

來源：3D科學(xué)谷
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