三种制造技术的结合

太空登陆器对NASA尤其重要，NASA现在已经着眼于到达到土星和木星的卫星，对于NASA来说，空间着陆器越轻越好，因为这意味着可以节约负载能力以塞进更多的科学仪器。

软件公司Autodesk-欧特克和美国宇航局（NASA）喷气推进实验室的工程师们设计出了一种全新的星际着陆器，未来预计将对木卫二和土卫二等遥远的卫星进行探索。它的重量大大小于美国宇航局送往其它行星和卫星的大多数着陆器。

欧特克公司公布的这个全新的着陆器设计，外形酷似一只蜘蛛。通过欧特克的创成式设计软件，这个设计方法运用的是大自然的进化结果的防生学计算公式。设计师和工程师们只需要将设计目标、材料、制造材料和成本限制等数据输入到设计软件中，设计软件就能够快速生成多种设计结果作为选项。

这个太空登陆器的设计初衷是创造最轻的结构，但它仍然必须承受被射入太空的压力，冰冻的温度，辐射水平是地球的1000倍，以及还需要考虑结构降落在行星（如火星）时的重力和侧向力。3D科学谷了解到欧特克和喷气推进实验室的研究人员将着陆器在深太空可能遭受的温度和压力等数据输入到设计软件中，软件根据数学算法生成了数种不同的设计结果。

这种着陆器拥有四条腿，它的身体看起来就像是科幻电影的一种道具。研究团队在打造这款着陆器时使用了3D打印、数控加工和铸造三种技术。目前NASA与欧特克公司合作设计的这款着陆器主要是以实验为目的。在太空旅行中，承受太空恶劣环境的最佳材料就是钛和铝，但是这些材料也有点重。而随着着陆器重量的增加，发射的困难和成本也会随之增长。因此降低重量能够减少卫星探索任务的总成本和复杂性。

经过一个半月的完善，最终研究团队获得了这个酷似蜘蛛的概念设计。它由三个主要部分构成：第一部分是结构部分。它是由3D打印铝材料而成，其中将安放研究仪器；第二部分就是为其提供结构支撑的底盘，这一部分是通过铸造铝材料而完成的；第三部分是铣削加工制造的铝质腿。整个着陆器的宽度约2.3米，高约0.9米。

据欧特克公司称，这款着陆器的重量与喷气推进实验室的其它着陆器设计相比降低了35%。它的重量大约为176磅（79.8千克），远低于NASA最新的洞察力号火星着陆器约770磅（约349公斤）的重量。

在设计过程中，欧特克的创成设计算法评估了不同的材料，如铝和钛，以及制造工艺，以获得最理想的结构。通过机器算法寻找到了一种最佳解决方案。最终的原型由铝和铝合金制成，具有细长的腿和一个类似于网状的通风底盘。整个设计过程中证明了创成式设计软件在设计极其复杂的结构方面具有强大的功能。

据悉，就在2018年12月初，NASA还与9家公司签订合同，以合作设计和建造月球着陆器，将NASA的科学有效载荷送到月球表面。这9家公司是宇宙机器人技术公司（Astrobotic Technology）、深空系统公司（Deep Space Systems）、德雷珀公司（Draper）、萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）、直觉机器公司（Intuitive Machines）、洛克希德·马丁太空公司、马斯滕空间系统公司（Masten Space Systems）、月球快车公司（Moon Express）和超越轨道（Orbit Beyond）公司。

视频：欧特克的创成式设计

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本期，3D科学谷将分享软件公司Autodesk 的几个创成式设计应用案例与他们对创成式设计的诠释，从中我们可以进一步了解创成式设计与拓扑优化的区别，以及创成式设计和3D打印为产品设计创新带来的非凡想象。

 实现设计的自我创新

首先来看三个制造业企业通过Autodesk 创成式设计所实现的设计创新案例。

- 摩托车后悬架部件创新

这是一个通过创成式设计摩托车部件的案例。

以下是创成式软件给出的摩托车后悬挂架部件的设计方案，以及对部件增材制造和机械加工过程的仿真模拟。

- 在150种有效设计中选择最优支架设计

通用汽车为了给电动汽车减重，采用Autodesk创成式设计软件重新设计了汽车座椅安全带支架。由于这个支架是不需要显露在外部的，因此其外观并不是优先考虑的因素。在设计这款支架时需要优先考虑的因素是重量，安全性，部件数量的减少，以及可持续性和可制造性。

采用创成式设计方式设计支架时，由工程师定义设计参数，如材料、尺寸、重量、强度、制造方法和成本约束，然后基于算法输出符合这些标准的多个设计选项。在这个案例中，软件产生了超过150种有效的设计选项。设计师和工程师可以检查每个选项并选择最符合其规定要求的设计。最终，新支架比原来的部件轻40％，强20％，并将八个不同的部件整合到一个3D打印部件中。

- 自动生成模块化机舱隔板

空中客车公司使用创成式设计来探索飞机舱隔板的创新设计。创成式设计是项目成功的关键，设计师有着非常明确的目标和约束，该机舱结构只能通过四个点连接到机身上，而且为了满足应急需要，机舱隔板中的一部分要求能够方便的进行拆除。

机舱隔板采用模块化设计，模块能够像网络一样连接起来。通过创成式设计软件的算法，设计团队探索了这些模块化隔板的数千种变化。最终的机舱隔板设计方案是由122个3D打印部件组合在一起的。该设计的重量只是之前设计的一半 ，这将为航空公司节省数百万美元的燃料成本，同时能够满足安全要求。

 在多种设计中择优选择

以上案例采用的不是拓扑优化设计，而是从问题和期望的结果开始，将设计留给创成式设计。或许你已经体会到，创成式设计是一种能够自动实现设计创新的方式。计算机不会受到时间和精力的限制，它可以探索多个有效选项。得益于3D打印等先进制造技术，最终优化的设计选项都可以制造出来。

不过根据3D科学谷的观察，在3D打印零部件设计领域，提到最多的可能是拓扑优化,有时两者还会被混淆。创成式设计和拓扑优化都是使产品设计更为优化的设计方式，但两者之间是存在明显区别的。简单来说，拓扑优化是在现有设计基础上得到更加优化的设计，而创成式设计则是自我创新的设计。

拓扑优化是结构优化的一种，是一种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数学方法。拓扑优化常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化，最常用于从设计中移除材料，然后进行仿真验证，揭示满足力学性能的轻量化设计。出于这个原因，它是轻量化现有设计的有效方式，是缩短增材制造设计过程的重要手段。

拓扑优化设计所优化的是给定的设计，如果这个设计是设计师通过传统设计方式创建的，那么它本质上是设计师对于如何解决问题的最佳猜测，这种预定几何体的方法本身就已经有了限定，同时也就会约束在这个基础上所得到的优化设计方案。因为设计师会在有意无意的情况下，将制造约束情况考虑在内，此时的拓扑优化只能是在这些受到约束的几何体基础上提供一个最优方案。

然而，依赖于计算机算法实现自我创新设计的创成式设计方法则不会像人类大脑一样受到约束，它可以避免设计师人为的设计习惯和局限。这是由于创成式设计并不是基于设计师预定义的模型，而是输入设计意图，同时设定参数，并通过软件算法来探索每个几何选项，根据限定参数提供数以百计的选项，算法将自动进行调整判断，筛选出设计给设计者决策，直到获得最优化的设计。

通过自动生成许多不同的设计，创成式设计软件可以使设计人员和工程师免于重复性设计任务，并使他们专注于更高价值的决策选择，包括最大限度地提高零件性能，最终创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。

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应用创成式设计需要改变思维方式，将计算机作为真正的合作伙伴。在创成式设计的辅助下，产品设计将更加精彩。制造商将以更少的时间和更高的创新程度提供比以往更多的产品设计。根据3D科学谷的市场观察，创成式设计与人工智能、虚拟现实、3D打印等新技术日益融合，将设计过程变得更加智能，让设计的门槛进一步降低。

参考资料：
Think Generative Design Is Overhyped? These Examples Could Change Your Mind

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创成式设计（Generative Design）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。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式，在设计的过程中，当设计师输入产品参数之后，算法将自动进行调整判断，直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within，欧特克的Dreamcatcher，西门子的Solid Edge ST10等。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”

CAD设计技术的应用经历了三个时期。在最早期的文档时代，CAD只是通过计算机辅助设计的手段将产品绘制记录下来，不管是二维的几何图形还是三维的产品模型，都是基于覆盖式、经验式的文档操作；在优化时代，三维CAD开始逐渐成为主流，不管是在建造业还是制造业，工程师可以通过真实准确的数字化模型，借助三维可视化的设计工具，以及仿真分析工具，让设计结果越来越优化；随着移动互联网的快速发展，如今的设计师和工程师需要越来越多的洞察用户需求，让产品更加富有创意和个性化，这意味着CAD设计将变得更加互联化和智能化。这也是欧特克等企业致力于推动创成式设计技术发展的重要原因。

在美国知名运动品牌Under Armour应用中，Under Armour利用欧特克衍生式设计和3D打印技术的结合，来改变鞋掌的设计。Under Armour的限量版跑鞋Architect是一款3D打印跑鞋，它可以在运动过程中随时贴合运动员脚部，独特设计的网格结构中底能为运动员提供稳定的脚跟支撑结构和并满足高强度训练所需的缓冲能力。目前，Architect已经可以在Under Armour官网接受消费者预订了。

西门子的创成式设计将拓扑优化引入到 Solid Edge 3D 产品开发工具包中。 设计者可定义特定的材料、设计空间、允许的载荷和约束及目标权重，该软件可自动计算几何解法。 这些结果可以立即在 3D 打印机上进行制造，或是在 Solid Edge 中进一步优化，以用于传统制造。

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。  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。

可利用西门子 Solid Edge 的工具包（纳入了 Siemens 的收敛建模和同步建模技术）进一步修改源于创成式设计的优化组件。 网格化结果会无缝集成到正常的模型编辑过程中，有助于设计师获取手头任务所需的最终设计。 无需再等待从三角形网格到 B-rep 的冗长又失精确的转换。

在未来的衍生式设计中，还将融合人工智能、虚拟现实、3D打印、机器学习等新兴技术，将设计过程变得更加智能，让设计的门槛进一步降低。

更多内容点击视频链接：

创成式设计优化航空航天零件

欧特克创成式设计软件

欧特克制造的未来方式

西门子创成式设计软件

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