创成式设计与增材制造，颠覆传统设计制造模式

创成式设计（Generative Design，GD）是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过“创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是设计师的福音，可以将复杂的设计变为现实，已成为创成式设计的“好搭档”。创成式设计与增材制造的发展正在改变着设计制造的模式。

创成式设计（Generative Design，GD）是CAD\CAE\OPT技术的融合。首先通过CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）工具完成产品的初始实体建模工作，再通过OPT（Optimization，优化技术）进行优化，优化后的模型在CAD系统中进行重构，利用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）工具进行仿真验证，对比几种优化方案后，选择最优的一种。

图：创成式设计流程图（图片来源：互联网）

优化技术在创成式设计中占有十分重要的作用，它能使设计者从众多的设计方案中获得较为完善的最优设计方案。根据设计变量的类型，优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化：在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形几何的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，它是优化设计中的最低层次；

形状优化：若结构的几何可以变化，如把桁架和刚架的节点位置或连续体边界形状的几何参数作为设计变量，优化又进入了一个较高的层级，即所谓的形状优化；

拓扑优化：若再允许对桁架节点联结关系或连续体结构的布局进行优化，则优化达到最高的层级，即结构的拓扑优化。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，最具发展前景。

拓扑优化一方面可以帮助设计师根据产品的性能要求，在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计；另一方面，可以优化改善结构性能、减轻产品质量，最后找到一种全新的设计方案。创成式设计中的优化技术主要是拓扑优化（Topology Optimization，TO），即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的方法。

在机械结构件设计中，创成式设计方法已经被大量运用。对于超出设计者经验的新型结构来说，创成式设计是最有效的设计工具。但区别于传统的经验式设计模式，创成式设计面临一个极大的难题：结构形式复杂，可制造性差，依靠传统的制造方法根本无法制造出产品原型。但随着增材制造技术的发展，通过创出式设计完成的产品结构就能够在短时间里被加工制造出来。

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是基于材料堆积法的一种高新制造技术，根据零件或物体的三维模型数据，通过快速成型设备（3D打印机），运用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，增材制造将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件。与传统制造技术相比，增材制造技术优势尽显，如：制造复杂物品不增加成本；设计空间无限；减少废弃副产品；材料无限组合等等，堪称为制造工艺的颠覆性创新。

图：增材制造之激光选区熔化技术SLM原理

增材制造技术可以帮助企业打印复杂的产品结构，使用多孔结构、异质材料功能梯度结构、合金/复合材料/纳米材料等高性能材料，让企业不再受传统工艺和制造资源的约束，让工程师在“设计即生产”、“设计即产品”的理念下，按照最理想的结构形式来设计产品，使得产品结构轻量化和高性能得以实现，“功能性优先”变为可能。

增材制造技术的进步和大范围应用，则意外地将各种美而复杂的设计方案从可制造性约束的束缚中解放出来，使创成式设计的价值得以完全的发挥。

图：增材制造流程

创成式设计突破了设计极限，而号称“没有造不出的原型”的增材制造技术为这类产品的加工提供了有利保证。反过来，增材制造技术的价值也需要创成式设计来体现，因为只有产品结构足够复杂才值得通过增材制造技术来实现。创成式设计与增材制造的融合是企业创造出突破性创新产品的重要途径，且这两项技术的融合，正在颠覆传统，改变着设计制造的模式。

对于创成式设计，各个厂商都有自己独特的理解，但是目标不约而同。其中，Autodesk提出的（generative design）“衍生式设计”，与创成式设计如出一辙；PTC在CREO4.0新版本中提出“专为增材制造而设计”的解决方案；SolidWorks提出基于nTopology技术的的下一代增材制造设计方案；Altair优化技术和增材制造的巧妙结合更是使轻量化设计上升到一个全新的高度。Solid Edge在其ST10新版本中也提出了创成式设计的概念。

欧特克从两三年前开始提“未来智造(the Future Of Making Things，缩写为FOMT)”的概念，以契合‘帮助人们想象、设计并创造更美好的世界’这一欧特克从未改变的愿景，随着一步一步技术和产品的迭代，以及与最新的技术进行交互，最终推出了衍生式设计这一代表着下一代CAD应用方向的技术。

衍生式设计，是由英文Generative Design翻译而来，是指在传统CAD设计的基础上，根据零部件的承载进行应力分析和拓扑优化，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性部位的材料，并在满足功能和性能要求的基础上，从多种结构优化的方案中找到功能和性能要求相同但重量更轻的结构，从而实现轻量化的创新设计，经过优化的零件重量甚至可以达到优化之前的十分之一。然后，再利用增材制造技术将这些传统制造工艺无法实现的复杂结构制造出来，从而实现整个创新过程，并简化了设计制造整个流程，可以说对传统制造业而言是个颠覆性的转变。

Autodesk Within就是一套衍生式设计软件解决方案，主要通过一种优化的引擎获取输入参数——比如要求的重量、最大应力和位移等——随后生成带有“可变密度晶格结构和表面外观”的设计。而最后的对象可以根据严格的规格进行调整，最终所得的组件将由于使用传统方法设计出来的部件。除了Autodesk Within之外，欧特克还在开发其它衍生式设计项目，其中包括Project Dreamcatcher。

图：采用衍生式设计的丰田气缸盖

衍生式设计的出现加速了传统设计技术的淘汰，在一定程度上降低了设计者的准入门槛，工程师只需要在不同的设计阶段给出各种约束和限制性条件，计算机就能根据机器学习、人工智能、大数据分析、材料工程、分析仿真等新兴技术给出设计方案，从而将设计过程变得更加智能，让设计的门槛进一步降低。

增材制造（3D打印）的定义很简单，但过程并不简单。设计师通常需要使用多个软件包导出、重新设计、优化和重新导入模型。Creo 4.0中新增的扩展程序Additive Manufacturing Extension终结了这种现象，简化了3D CAD与3D打印之间的流程。其主要优点如下：

单一环境。从概念开发到详细设计直到打印，始终在同一环境中完成。不需要在软件包之间进行切换，所以错误的数量、乏味的工作和过程总时间都会减少。

晶格创建。可以创建参数控制的均匀晶格结构，还可以进行可变性控制加强晶格。与仿真技术相结合可以优化晶格结构以同时解决多个设计要求。

图：轻松创建复杂可变的晶格结构

互联打印机支持。直接连接到Stratasys和3D Systems打印机，了解构建时间、材料使用情况和材料/颜色的分配，直接支配这些打印机进行打印。

创建并管理打印托盘。构建、跟踪、验证并管理打印作业，然后存储并重复使用这些作业。通过对多个元件进行自动定位和排样，可以优化打印托盘，从而节省时间和成本并节约材料。连接到支持的打印机时，还可以在托盘中为零件分配材料和颜色。

改善快速原型设计。打印与最终设计的零件匹配度更高的原型，以使测试更有意义。

SOLIDWORKS所倡导的“The Future of Design”，是帮助工程师做正确的事情，而非一味地追求越来越快、性能越来越好的软件。未来的工程师主要精力将放在“对”的产品上，而不是繁琐的画图工作，当人工智能发展到一定阶段，工程师只需要将限制条件输入计算机，计算机就会去探索每一种可能的设计方案，工程师只需选择“对”的设计。

在SOLIDWORKS WORLD 2017用户大会上，SOLIDWORKS表示将通过与Stratasys公司合作，推出基于nTopology技术的，“改善功能、效率和重量比”的下一代增材制造设计方案。

图：SOLIDWORKS与Stratasys共同推出“改善功能、效率和重量比”的下一代增材制造设计方案

结合nTopology技术，SOLIDWORKS将提供产品轻量化设计的新方法。以竞技自行车为例，在脚踏板轻量化的过程中，既要保证其结构强度，又要应对传统加工制造的约束。以竞技自行车为例，在脚踏板轻量化的过程中，既要保证其结构强度，又要应对传统加工制造的约束。将增材制造技术和nTopology技术结合，可以很好的解决这一问题。

图：竞技自行车脚踏板轻量化设计

solidThinking的两款软件Inspire和Evolve配合3D打印使用，可以形成一个优质的设计流程，帮助设计人员考虑传统设计方法中很难解决的问题，将产品的轻量化设计发挥到极致，同时还能让产品性能有所提升。目前这种高效的设计方法已在航空航天、汽车、制造等行业广泛应用并获得了赞誉。

solidThinking Evolve为设计人员提供完整的三维建模及渲染环境。solidThinking Inspire为设计工程人员提供“仿真驱动设计”的创新解决方案，它采用Altair先进的OptiStruct优化求解器。

OptiStruct是一个基于有限元技术的概念设计、结构分析和设计优化工具。OptiStruct在给定的设计空间中能够自动计算最优的设计方案。凭借其无可比拟的优化技术，OptiStruct在工业界屡获大奖。OptiStruct在设计的早期阶段利用最少的输入预测最优的结构形式，并在随后的详细设计阶段实现进一步的设计改良，使优化设计更加方便、稳健和精确可靠，并为CAE技术找到自主创新的突破口。此外，利用先进的优化算法和精确的内嵌求解器，OptiStruct能在较短时间内解决数百万设计变量的复杂优化问题。以雷尼绍（Renishaw）的开瓶器模型作为对象简单介绍solidThinking产品对接3D打印操作流程。

（1）在solidThinking Evolve中构建几何模型，在solidThinking Inspire中进行应力分析，发现问题所在。

（2）在solidThinking Evolve中重构几何。新的形状需与原始模型外轮廓类似，但内部填充为实体。随后将该模型导入Inspire中，新模型将作为下一步优化时的设计空间使用。

（3）在solidThinking Inspire中进行拓扑优化。在Inspire中施加与之前相同的工况与载荷，选择优化目标为最大刚度，保留优化体积为原始模型的30%。随之进行优化并获得优化结果如下。从图中可以看出，大部分材料都已被去除，只保留了前部受力部分的材料，获得了最精简的结构基础。

图：利用solidThinking Evolve构建新的优化空间（左） 利用solidThinking Inspire进行新结构优化（右）

（4）在solidThinking Evolve中重新设计。从优化结果看出，开瓶器优化后主要保留了前部结构，后面由于受力小或不受力，材料被移除掉了。但是考虑到使用便捷和美观性，在重新进行造型设计时，对材料分布进行了适当调整。

图：利用solidThinking Evolve设计符合优化结果的全新造型

（5）对新模型进行测试。在solidThinking Inspire中对新模型进行应力仿真分析验证。在Evolve中使用体积计算工具，获得新模型与原始模型的质量对比。

（6）模型打印。由于该模型造型复杂，无法用传统的开模具、铸造等方式实现，因此只能通过金属3D打印机打印出来。

随着计算机技术（计算速度的提升）和加工技术（增材制造）的发展，2017年，Solid Edge ST10新版本提出了创成式设计的概念。Solid Edge创成式设计的提出基于生物进化与CAD设计结合，以实例展示其功能。下图所示为某支架模型，支架中间会有一个物体，支架需要把它紧紧地夹住，上面的孔与其它零件相连，不允许改变。下面的螺纹孔起固定作用，不允许改变。

图：支架初始模型

假设这个零件会被送上太空，每千克的发射成本高达10万元人民币。那么它的外形应该是什么样的？

用传统的设计方法，不可能得到最优的结果。就像人类的小腿骨不可能用任何一种传统CAD设计出来。使用Solid Edge的创成式设计得出的结果是这样的。

图：采用Solid Edge进行创成式设计后的模型

可以看出，该设计保留了所有的功能表面，比如定位孔、负载面。但在自由外形的地方，没有一处是平面。采用了完全的流线型。可以把材料的使用量降到最低，同时保留了力学上的强度安全系数。

在Solid Edge ST10创成式设计中，用户可以为零件制定负载，例如力、压力或扭矩。然后指定与周围零件有装配关系的面，不允许改变。再指定固定的面。就完成了约束条件的设定。用户还可以指定研究精度、希望减少的目标质量和安全系数。如果要求的安全系数高，要求质量减少幅度又太大，可能无法获得有效的结果。然后Solid Edge就进行多次迭代运算（类似生命体的逐代进化），产生最终的优化结果。在优化结果中还能显示应力的分布情况。Solid Edge的创成式设计将CAD设计、优化设计和CAE分析无缝集成在一起，达到近乎完美的结果。

利用物联网IoT技术，设计工程师将有机会获得之前绝无可能的产品洞察。利用支持IoT的产品或设备，产品可以将产品的使用数据流传输到工程师手中。通过对这些大数据进行分析，设计工程师可以了解产品的实地使用情况、客户通常会在哪些方面遇到问题，以及不使用哪些功能。

这些分析结果可以为后续的创成式设计提供宝贵的建议，以便围绕产品增强做出更好的决策，例如，如何提高易用性、从哪些方面提高质量，以及哪些创新想法最能让客户受益。借助这些有力的洞察，工程师将获得前所未有的能力，可以对他们产品的竞争力产生直接影响。

将创成式设计与IoT融合，不仅可以获取更多产品的使用情况数据，还可以从这些数据中获得价值。之后对这些数据进行分析，就能在现实而非假设的基础上提出更出色、更智能的设计。

通过触摸智能手机屏幕来执行操作或者通过触摸视觉标记来执行操作，将设计作品叠加到真实环境，将不同的假设和原型直观呈现出来。基于AR技术，产品设计变得更快速、更智能。

将创成式设计与AR融合，可以帮助相关部门用最短的时间正确理解产品，此外，基于增强现实能力，也可将通过物联网技术采集的产品信息更加直观的展示。未来，将不再需要传统的物理样机，而是通过数字世界和物理世界的连接开展产品评审工作。

较高的成本是妨碍增强现实技术应用于服务设计的抑制因素，但是对于大规模项目来说，它将成为一种无价的工具。

图：创成式设计融合IoT和VR（图片来源：PTC）

基于云的架构，用户通过各种终端（PC、手机、平板）在网络环境下打开浏览器登录并开展创成式设计相关工作。这种模式颠覆了以往的对CAD\CAE\OPT工具的使用习惯，工作模式也会随之发生极大变化。借助网络及云端工具，IT部门不再担心公司电脑的更新换代，协作单位也不需考虑CAD\CAE\OPT工具版本的问题，对于研发人员遍布全国或者国外的企业来说，将创成式设计的过程迁入云端无疑是一大福音。

GD+AM技术融合应用的实例较多。从个性化定制的家具，仿真骨骼，到自行车链条、汽车航空航天零部件等等，这样的案例已屡见不鲜。具体来说，主要集中在以下几个领域：

（1）航空航天、国防军工：如钛合金关键大型承力结构件、航空发动机叶片、燃油喷嘴等零部件的设计与制造。

（2）汽车等工业制造业：高端汽车或赛车的概念设计、原型制作、产品评审、功能验证，发动机等复杂零件的直接和间接制造，异形复杂表面零部件的制造。

（3）医疗：仿生骨骼、假肢等；

（4）消费品：个性化家具，时尚首饰和配饰、服装鞋帽等的直接制造。

图：GD+AM应用案例（图片来源：知识自动化）

仿生隔板

空客和Autodesk合作设计和制造世界上最大的3D打印飞机座舱部件，目前被称为“仿生隔板”。这个案例用到了两大主要的未来智造技术：衍生设计（Generative Design的不同翻译，Autodesk的设计理念）、增材制造与新材料。衍生设计利用云计算来计算满足特定目标和约束的大量的设计方案。由于这些设计对于传统制造手段的制造者来说几乎是不可能的，增材制造技术（3D打印）是保证衍生设计成功的关键。此案例中，“仿生隔板”是通过自定义的算法，模仿细胞结构和骨骼生长来生成，然后通过3D打印技术进行制造。这种开创性的设计和制造流程制造的隔板比使用传统流程制造的产品结构更强大和更轻。

图：仿生隔板：3D打印飞机座舱部件

在航空飞行中，减少重量意味着减少燃料的使用。采用结构更强大但重量更轻的晶格结构，空中客车公司的新“仿生隔板”比当前的设计重量降低45%（30公斤)，据Airbus估计，如果将同样的技术应用到整个客舱和所有预订生产的A320飞机，每年可减少465000吨的CO2排放量----相当于96000辆汽车从路上消失。

一辆超轻的电动摩托车

空中客车集团APWorks GmbH发布了世界上第一辆3D打印摩托车Light Rider，这款3D摩托车最大的特点是重量轻、结构优，其车身总重量仅为35公斤，比普通的电动摩托车轻30%。而空客集团能取得这样的突破，与其综合应用两大技术有重大关系，一是采用了由3D打印技术制成的超强且轻质合金材料Scalmalloy；二是通过创成式设计技术，将框架设计成仿生力学结构，实现了材料的最佳分布。

如Light Rider的车架结构的优化设计，首先是要指定一些设计参数作为边界条件，在需要优化区域定义一个大的设计空间，这个设计空间与摩托车车架的外尺寸相对应，有了这些定义，软件就知道载荷被引入的位置和各零部件之间的关系。

通过仿真计算，该软件可以确定最佳的传力路径，并为工程师提供详细的必要的材料布局。在这种优化运算中，需要考虑摩托车车架上多种不同的载荷工况，如各种源于数据表（如正常的轮胎上的力、摩擦等）载荷；摩托车不同点的受力情况，例如把手或脚踏板上受拉或受压等载荷。

在创建设计空间时，摩托车的所有装配关系也必须考虑在内，这些被定义为特定的边界条件，如必要的钻孔位置和安装点，即使在初始的规划阶段，工程师们必须确定所有的螺栓连接关系，不能遗漏任何细节，以创建一个完整的装配产品。

图：最大的设计空间 拓扑优化结果 基于优化结果的重新设计

Light Rider样机展示了利用拓扑优化、新材料、增材制造以及仿真驱动设计流程的益处，即整体减重和提升性能的潜力。这些数字很好表达了这一能力：摩托车总重量为35公斤，车架的重量只有6公斤，这辆4千瓦的电动车从0加速到45公里/小时，只需3秒钟。

图：Lightrider电动摩托车

一座具有惊人美学的桥梁

来自荷兰设计和技术研发工作室MX3D，采用3D打印技术打印了一座阿姆斯特丹市中心的一座桥基于Joris Laarman的创新的悬浮式金属3D打印系统，采用了6轴机器人手臂，材料采用了由代尔夫特大学开发的钢复合材料。鉴于材料和自由的机器人手臂，该系统非常适合于大型基础设施的项目。

该大桥预计将于2017年底完工。完工的桥长24英尺，允许正常的阿姆斯特丹步行交通。和手工制造的大多数桥梁相比，3D打印的桥梁具有美丽、复杂的设计，而且具有更多的细节。和机械制造的桥梁相比，由于3D打印技术允许控制细节的颗粒度，因此，桥梁可以设计得更加华丽，而且几乎定制的外观，这是机械制造的桥梁所无法做到的。

图：阿姆斯特丹市中心的一座桥，荣获“委员会特别奖”

ROBOT BIKE山地自行车

ROBOT BIKE COMPANY（RBC）是一家位于英国的新兴公司，由一群航天工程师及山地车爱好者组成。公司创建之初，创始人就认识到碳纤维对接增材制造的巨大潜力，他们要探寻最棒的自行车架。尽管RBC团队在增材制造技术以及航空产品与系统研发方面有着非常丰富的经验，但要实现他们的目标仍然需要与多方团队进行接洽。他们接触的团队包括：HiETA技术，在增材制造方面拥有设计和工程解决方案；Renishaw，全球领先的增材制造生产商；以及Altair产品设计团队，提供拓扑优化技术，保证将增材制造的灵活性优势全面发挥出来。通力协作后，共同推出全新R160山地自行车车架——该款车架运用了创成式设计（拓扑优化技术）和金属增材制造技术，并在英国完成设计加工。

图：ROBOT BIKE山地自行车及车架

图：在solidThinking Inspire中定义设计空间获得拓扑优化结果

图：原始部件与新部件设计对比 新部件渲染效果

一双能力训练鞋

运动服装制造业—安德玛（Under Armour)与欧特克公司协作衍生地设计和3D打印一种新的能力训练鞋：UA Architech。Autodesk的Within被用于设计鞋底夹层的晶格结构设计，这种衍生设计不仅具有稳定的脚跟支撑结构，而且具有合适的力量训练缓冲。

创成式设计是未来智造的核心技术，也是一种开拓性技术。它是基于所想要达到的要求，如耐久性，柔韧性和重量，由计算机算法来创建结构。它能够产生复杂的、高性能的结构，而这种结构是无法依靠设计者的想象能够实现。在UA Architech鞋的开发中，也需要用3D打印来制造。

图：新的能力训练鞋

有史以来最长的航天部件

RUAG Space是欧洲航空航天行业的领先设备供应商，利用先进的拓扑优化技术设计和优化了有史以来最长的工业级3D打印航天部件之一。借助优化方法，制造商可确定哪些材料在结构中是必不可少的，而哪些材料在移除后不会对性能造成负面影响，并就此来减轻重量。通过优化过程可确定理想的材料布局，而通过增材制造技术则可构造出更接近这一理想设计的形状。

图：天线支架的最终设计 天线支架的设计流程

创成式设计和增材制造的巧妙结合使轻量化设计上升到一个全新的高度，这种制造流程能够实现结构高效的部件。最终设计非常接近于优化结果给出的理想设计方案。刚度更高、质量更轻的部件极大程度地帮助减少了发射航天器和卫星的成本。

总之，随着增材制造技术的日益成熟，个性化、轻量化设计将越来越受到设计师的青睐，创成式设计与增材制造的融合技术正在帮助各行业的设计师实现更多的突破。