導(dǎo)讀：生成式設(shè)計（衍生式設(shè)計）是一種計算機和 AI 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計過(guò)程，能夠根據(jù)用戶(hù)預(yù)定義的需求和約束自動(dòng)創(chuàng )(chuàng)建產(chǎn)(chǎn)品?；蛘?，簡(jiǎn)而言之，軟件根據(jù)用戶(hù)提出的產(chǎn)(chǎn)品屬性和設(shè)計目標(biāo)來(lái)設(shè)計零件或產(chǎn)(chǎn)品。3D打印在制造衍生式設(shè)計的零件方面有足夠的優(yōu)(yōu)勢。

在生成式設(shè)計軟件中輸入的變量越多，例如預(yù)期用途、制造方法、可用材料等，計算機設(shè)計生成的結(jié)果就會(huì )越好。通過(guò)軟件設(shè)計出的產(chǎn)(chǎn)品，一般會(huì )具有曲線(xiàn)型外觀(guān)和類(lèi)似于樹(shù)枝形狀或骨骼的結(jié)構(gòu)。生成式設(shè)計被比作自然界為獲得最佳結(jié)構(gòu)而經(jīng)(jīng)歷的進(jìn)化試錯過(guò)程，而且速度要快得多。使用生成式設(shè)計有很多的優(yōu)(yōu)勢，比如節(jié)約材料的同時(shí)保證高強度等。

△使用 Dassault Systèmes 的 CATIA 軟件通過(guò)衍生式設(shè)計優(yōu)(yōu)化基本支架以節(jié)省材料并保持強度（來(lái)源：Dassault Systèmes）

如上圖所示，右邊的支架是原來(lái)的設(shè)計。左邊的支架是為了減少材料用量而優(yōu)(yōu)化的部分，同時(shí)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(shè)計通常非常復(fù)雜，只能通過(guò) 3D 打印方法制造。

衍生式設(shè)計雖然如此強大，但它不會(huì )取代設(shè)計師或工程師。衍生式設(shè)計軟件只是他們用來(lái)加速設(shè)計和優(yōu)(yōu)化零件的工具。AI 可以產(chǎn)(chǎn)生多種多樣的結(jié)果，比較不同結(jié)果之間的差異，尋找最優(yōu)(yōu)解，這是設(shè)計師在短時(shí)間內(nèi)很難做到的。

許多軟件產(chǎn)(chǎn)品都擁有生成設(shè)計功能，這些功能使用算法將零件需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)(chǎn)品幾何和設(shè)計。但是，它們不會(huì )生成幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)選項，而是會(huì )改進(jìn)單個(gè)部分（這聽(tīng)起來(lái)很像參數(shù)化設(shè)計）。這兩個(gè)概念相似，但生成式設(shè)計通常與設(shè)計的多個(gè)選項相關(guān)(guān)聯(lián)(lián)，而不是與多次迭代相關(guān)(guān)聯(lián)(lián)。

衍生式設(shè)計軟件

形狀優(yōu)(yōu)化算法或拓?fù)鋬?yōu)化長(cháng)期以來(lái)一直在處理最基本的工程問(wèn)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(shè)計更進(jìn)了一步，提供了大量的選擇。重要的一點(diǎn)是，工程師不再受限于他們的技能水平、經(jīng)(jīng)驗或創(chuàng )(chuàng)造力。在創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計分析結(jié)束時(shí)，工程師將獲得可進(jìn)一步探索和完善的概念，或完全符合重量、負(fù)載、材料等所有項目要求的可隨時(shí)制造的設(shè)計解決方案。

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

衍生式設(shè)計是一種創(chuàng )(chuàng)造工具，與許多其他計算機輔助流程一樣，它需要人來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，成功與用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)質(zhì)(zhì)量有關(guān)(guān)。這里我們可以借用計算機科學(xué)(xué)的概念GIGO（“garbage in, garbage out”），錯誤的輸入數(shù)據(jù)會(huì )產(chǎn)(chǎn)生錯誤的結(jié)果。盡管生成設(shè)計工具幾乎可以讓任何人掌握復(fù)雜的設(shè)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(lái)說(shuō)，生成設(shè)計軟件解決問(wèn)題所需的信息包括：

●設(shè)計空間的物理約束，包括新零件在更大裝配中的每個(gè)接口（如安裝孔）和新零件不能占據(jù)的空間。生成式設(shè)計通常用于重新設(shè)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(qū)域需要加強或簡(jiǎn)化以承受運動(dòng)或操作的壓力。

●標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)設(shè)定，例如最小化零件的質(zhì)(zhì)量或成本，以及定義項目所需的安全系數(shù)。

●制造工藝的可實(shí)現(xiàn)性，這就是3D打印制造的優(yōu)(yōu)勢，3D打印本身具有極高的靈活性，非常適合衍生式設(shè)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(shè)計解決方案以滿(mǎn)足項目的要求。

△使用衍生式設(shè)計優(yōu)(yōu)化的摩托車(chē)后軸（來(lái)源：Autodesk）

有了所有這些初始輸入（還有更多選項），衍生式設(shè)計工具就可以發(fā)(fā)揮它的魔力了。通常從未優(yōu)(yōu)化的通用設(shè)計開(kāi)始，分析其中的應(yīng)力分布。然后軟件啟動(dòng)其迭代創(chuàng )(chuàng)建過(guò)程，即在高應(yīng)力區(qū)域添加材料，在低應(yīng)力區(qū)域減少材料，并重新檢查整體應(yīng)力分布。它不斷重復(fù)這些步驟，直到滿(mǎn)足預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)。

成功的衍生式設(shè)計研究將產(chǎn)(chǎn)生多種設(shè)計解決方案?，F(xiàn)在是人類(lèi)專(zhuān)業(yè)(yè)人員再次介入并根據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)(jīng)驗選擇一個(gè)或幾個(gè)解決方案的時(shí)候了。生成式設(shè)計軟件還可以幫助用戶(hù)通過(guò)不同的數(shù)據(jù)可視化功能進(jìn)行選擇，以比較解決方案。要注意的是，衍生式設(shè)計并不能保證生成式設(shè)計能夠成為最優(yōu)(yōu)的解決方案。有時(shí)項目的要求過(guò)于苛刻，算法無(wú)法提出可能的解決方案。如果是這種情況，用戶(hù)需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)、約束條件或材料并再次運行研究。

衍生式設(shè)計的好處是什么？

△優(yōu)(yōu)勢包括更好的性能、降低成本和零件整合（來(lái)源：siemens Digital Industries Software）

現(xiàn)在我們已經(jīng)(jīng)了解了衍生式設(shè)計的實(shí)際含義及其功能，讓我們來(lái)確定在零件制造中應(yīng)用這些工具的實(shí)際好處：

●創(chuàng )(chuàng)造力。生成式設(shè)計消除了與傳統(tǒng)設(shè)計過(guò)程相關(guān)(guān)的所有創(chuàng )(chuàng)造力限制，創(chuàng )(chuàng)造出人類(lèi)無(wú)法想象的最佳非常規(guī)形狀和形式。

●平衡優(yōu)(yōu)先事項。它可以根據(jù)給定站點(diǎn)上已有的性能方面和制造能力來(lái)探索解決方案。

●減少分析。內(nèi)置的測試和計算模擬減少了任何進(jìn)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(zhuān)業(yè)(yè)人員從繁瑣的反復(fù)試驗任務(wù)(wù)中解放出來(lái)，并通過(guò)提供數(shù)百種可行的設(shè)計解決方案來(lái)提高工作效率。

●減少人為錯誤。通過(guò)將大部分設(shè)計過(guò)程自動(dòng)化，可以降低將人為錯誤引入設(shè)計的風(fēng)(fēng)險。

●降低成本。通過(guò)以更少的材料使用提供高性能設(shè)計，并通過(guò)減少開(kāi)發(fā)(fā)時(shí)間和產(chǎn)(chǎn)品上市時(shí)間，可以節(jié)省資金。

●部分合并。尤其是在采用增材制造工藝時(shí)，工程師可以探索整合零件并用單個(gè)零件替換整個(gè)組件的機會(huì )。這會(huì )對供應(yīng)鏈和維護計劃產(chǎn)(chǎn)生積極的經(jīng)(jīng)濟影響。

算法與美學(xué)(xué)：衍生式設(shè)計的未來(lái)

△Ayoub Ahmad 為 3D 打印設(shè)計的超級跑車(chē)數(shù)字渲染圖（來(lái)源：Ayoub Ahmad）

隨著(zhù)物聯(lián)(lián)網(wǎng)(wǎng)和人工智能在我們?nèi)粘Ｉ鈧兇兊迷絹?lái)越茪?，衍生式設(shè)計可能會(huì )成為產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計的規(guī)范這項技術(shù)(shù)提供的設(shè)計不僅會(huì )對行業(yè)(yè)產(chǎn)(chǎn)生積極影響，還會(huì )對環(huán)(huán)境產(chǎn)(chǎn)生積極影響，因為生產(chǎn)(chǎn)日常產(chǎn)(chǎn)品所需的資源會(huì )更少。目前衍生式軟件發(fā)(fā)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(jié)合3D打印工藝創(chuàng )(chuàng)造屬于自己的衍生式設(shè)計零部件。

來(lái)源：3D打印網(wǎng)(wǎng)