看創(chuàng)成式設(shè)計與3D打印如何釋放創(chuàng)新能力

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

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

實現(xiàn)設(shè)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(shè)計所實現(xiàn)的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計軟件重新設(shè)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(shè)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(shè)計方式設(shè)計支架時，由工程師定義設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的多個設(shè)計選項。在這個案例中，軟件產(chǎn)生了超過150種有效的設(shè)計選項。設(shè)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(shè)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(shè)計來探索飛機艙隔板的創(chuàng)新設(shè)計。創(chuàng)成式設(shè)計是項目成功的關(guān)鍵，設(shè)計師有著非常明確的目標(biāo)和約束，該機艙結(jié)構(gòu)只能通過四個點連接到機身上，而且為了滿足應(yīng)急需要，機艙隔板中的一部分要求能夠方便的進(jìn)行拆除。

機艙隔板采用模塊化設(shè)計，模塊能夠像網(wǎng)絡(luò)一樣連接起來。通過創(chuàng)成式設(shè)計軟件的算法，設(shè)計團(tuán)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(shè)計方案是由122個3D打印部件組合在一起的。該設(shè)計的重量只是之前設(shè)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(shè)計中擇優(yōu)選擇
以上案例采用的不是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，而是從問題和期望的結(jié)果開始，將設(shè)計留給創(chuàng)成式設(shè)計。或許你已經(jīng)體會到，創(chuàng)成式設(shè)計是一種能夠自動實現(xiàn)設(shè)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(jìn)制造技術(shù)，最終優(yōu)化的設(shè)計選項都可以制造出來。

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

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

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計所優(yōu)化的是給定的設(shè)計，如果這個設(shè)計是設(shè)計師通過傳統(tǒng)設(shè)計方式創(chuàng)建的，那么它本質(zhì)上是設(shè)計師對于如何解決問題的最佳猜測，這種預(yù)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(chǔ)上所得到的優(yōu)化設(shè)計方案。因為設(shè)計師會在有意無意的情況下，將制造約束情況考慮在內(nèi)，此時的拓?fù)鋬?yōu)化只能是在這些受到約束的幾何體基礎(chǔ)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(shè)計的創(chuàng)成式設(shè)計方法則不會像人類大腦一樣受到約束，它可以避免設(shè)計師人為的設(shè)計習(xí)慣和局限。這是由于創(chuàng)成式設(shè)計并不是基于設(shè)計師預(yù)定義的模型，而是輸入設(shè)計意圖，同時設(shè)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(jìn)行調(diào)整判斷，篩選出設(shè)計給設(shè)計者決策，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計。

通過自動生成許多不同的設(shè)計，創(chuàng)成式設(shè)計軟件可以使設(shè)計人員和工程師免于重復(fù)性設(shè)計任務(wù)，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(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計作品。

應(yīng)用創(chuàng)成式設(shè)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(shè)計的輔助下，產(chǎn)品設(shè)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(shè)計。根據(jù)市場觀察，創(chuàng)成式設(shè)計與人工智能、虛擬現(xiàn)實、3D打印等新技術(shù)日益融合，將設(shè)計過程變得更加智能，讓設(shè)計的門檻進(jìn)一步降低。

來源：3D科學(xué)谷