拓?fù)鋬?yōu)化與生成設(shè)計(jì)：選擇哪種建模工具？

魔猴君  知識堂   40天前

生產(chǎn)必須更快，零件必須滿足更高的要求，我們目前的成就仍必須被超越。為此，必須以某種方式優(yōu)化所制造的產(chǎn)品，以提高效率。通常，這意味著減輕零件的重量，同時尋求更高的強(qiáng)度和性能。這個“少即是多”的方程式從受孕時就開始了！盡管設(shè)計(jì)師努力朝這個方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，但人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)帶來了新的可能性，拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)就是如此。

拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)是兩種方法，它們使用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算來優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面使其完全高效，另一方面節(jié)省成本和生產(chǎn)資源，僅舉幾例。盡管這兩種方法追求相似的目標(biāo)，但不應(yīng)將它們等同或混淆。下面我們將解釋拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)的含義、優(yōu)點(diǎn)、挑戰(zhàn)、具體應(yīng)用領(lǐng)域和示例，并解釋它們與3D打印相結(jié)合的有用性。

照片來源：Mensch und Maschine

通過拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)更快地獲得最佳設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化本身并不是一種新方法，自20世紀(jì)90年代初以來一直被用來優(yōu)化3D模型，在零件不需要支撐負(fù)載時保持基本功能，同時節(jié)省材料。拓?fù)鋬?yōu)化始終從人性化設(shè)計(jì)開始，必須進(jìn)行調(diào)整，以便在節(jié)省成本的情況下性能不會降低。然而，要做到這一點(diǎn)，有必要定義某些框架條件，例如考慮作用力并定義保護(hù)區(qū)。然后，計(jì)算機(jī)算法創(chuàng)建一個網(wǎng)格模型，其結(jié)構(gòu)完整性必須在有限元分析(FEA)過程中得到驗(yàn)證。然后，CAD工程師必須檢查并可能調(diào)整結(jié)果。

雖然拓?fù)鋬?yōu)化后的最終設(shè)計(jì)總是先于先前建立的需要改進(jìn)的概念（通常在材料和重量方面），但生成設(shè)計(jì)不需要基本設(shè)計(jì)。這是一個顯著的差異。在生成設(shè)計(jì)中，設(shè)置“約束”（條件）來創(chuàng)建盡可能多的新設(shè)計(jì)，以探索多種可能性。這些限制可能是阻擋表面、使用的材料、選擇的制造工藝、成本等。然后，人工智能可以設(shè)計(jì)出與先前定義的參數(shù)相對應(yīng)的不同設(shè)計(jì)可能性。值得一提的是，生成設(shè)計(jì)并不能從一開始就保證最佳解決方案，而是檢查設(shè)定目標(biāo)（例如重量、材料消耗和成本）之間可能的權(quán)衡，并根據(jù)用戶的偏好提供多種選擇。因此，與拓?fù)鋬?yōu)化一樣，工程師首先需要定義這些條件，最后從無數(shù)的可能性中選擇最終的設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)之間的比較（圖片來源：Mensch und Maschine）

這兩種解決方案都支持使用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)制進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，并在輕量化、降低成本和節(jié)省材料等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時保持或提高組件的質(zhì)量。還值得補(bǔ)充的是，所提出的設(shè)計(jì)總是受到自然界事件的啟發(fā)，與骨骼結(jié)構(gòu)、蜂箱、珊瑚等有相似之處。雖然拓?fù)鋬?yōu)化會產(chǎn)生單一的最終設(shè)計(jì)，但衍生式設(shè)計(jì)根據(jù)定義的約束提供了多種可能性。

因此，拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)都會以不同的方式創(chuàng)建最佳設(shè)計(jì)，但這些設(shè)計(jì)可能會給下一個生產(chǎn)階段帶來挑戰(zhàn)。并非所有制造工藝都能夠?qū)崿F(xiàn)具有嵌套幾何形狀、懸伸和可變壁厚的復(fù)雜設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)有時被建議作為優(yōu)化的一部分。

這就是為什么這兩種工具的潛力可以特別好地與3D打印結(jié)合使用。一方面，因?yàn)檫@兩種解決方案都會產(chǎn)生傳統(tǒng)工藝不可能或難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)；另一方面，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)制造方法生成設(shè)計(jì)。在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的情況下，可以從一開始就確定零件將通過增材制造制造，并且軟件將考慮到這一條件，因此只會生成可以使用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的解決方案。拓?fù)鋬?yōu)化的情況并非如此。CAD工程師必須驗(yàn)證生成的設(shè)計(jì)，并可能根據(jù)制造方法對其進(jìn)行改進(jìn)。例如，如果零件是通過3D打印制造的，則可能需要支撐結(jié)構(gòu)，具體取決于所使用的方法。然后設(shè)計(jì)工程師必須確定它們的放置位置和方式。

通過生成設(shè)計(jì)優(yōu)化后可以進(jìn)行3D打印的零件的表示。（圖片來源：Siemens PLM）

優(yōu)點(diǎn)和局限性

這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是可以根據(jù)使用算法或人工智能設(shè)置的參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)。這節(jié)省了時間、材料，從而節(jié)省了成本。生成設(shè)計(jì)允許您創(chuàng)建數(shù)百甚至數(shù)千個設(shè)計(jì)選項(xiàng)，并將它們相互比較，而不會浪費(fèi)時間。模擬和測試已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過程的一部分，避免了成本高昂的返工。成本也可以定義為生成設(shè)計(jì)中的一個條件，而組件概念的拓?fù)鋬?yōu)化則無法洞察成本。

生成設(shè)計(jì)中的多種設(shè)計(jì)可能性可以成為展示不同解決方案的優(yōu)勢。通過拓?fù)鋬?yōu)化，最終只有一種最終設(shè)計(jì)。在這種情況下，工程師仍然必須改進(jìn)和驗(yàn)證，而在使用其他工具時，他會運(yùn)用自己的專業(yè)知識來做出選擇。一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，在生成設(shè)計(jì)過程結(jié)束時，設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出為STEP文件，例如通過增材制造來制造零件并簡化生產(chǎn)鏈的其余部分。。通過拓?fù)鋬?yōu)化獲得的模型必須首先轉(zhuǎn)換為CAD文件。

雖然這兩種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)解決方案都有許多積極的激勵因素，但它們也帶來了一些挑戰(zhàn)。一方面，生成設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化的軟件解決方案非常昂貴，另一方面，它們的正確和有效使用需要專業(yè)知識。拓?fù)鋬?yōu)化已經(jīng)是一種行之有效的方法，多年來許多大公司已經(jīng)熟悉它。另一方面，生成式設(shè)計(jì)直到最近幾年才成為可能并流行。盡管生成式設(shè)計(jì)軟件可以找到更多解決方案，但它還不是很普及。

拓?fù)鋬?yōu)化主要用于提高零件的重量（圖片來源：Formlabs）

對于這兩個流程，都離不開CAD設(shè)計(jì)師及其專業(yè)知識。他們必須研究材料特性和制造技術(shù)，并分析設(shè)計(jì)的可行性。在設(shè)計(jì)過程中還必須考慮最終用途。人工智能創(chuàng)建的設(shè)計(jì)可能是功能最優(yōu)化的，但它們通常看起來不太好。必要時，設(shè)計(jì)師必須在美學(xué)、觸覺、聽覺和嗅覺方面進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)檫@些感官刺激對于產(chǎn)品的最終用戶來說是決定性的。正是在這些感官點(diǎn)上，拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)達(dá)到了極限，并且還無法在設(shè)計(jì)過程中取代人類。盡管如此，這兩種設(shè)計(jì)解決方案在許多應(yīng)用中開辟了廣泛的可能性。

應(yīng)用領(lǐng)域

盡管多個應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常重疊，但這些方法的方法和應(yīng)用有所不同。通過從給定的基礎(chǔ)形狀中去除材料，同時執(zhí)行FEA模擬以提高性能，拓?fù)鋬?yōu)化始終在定義的限制內(nèi)進(jìn)行。另一方面，生成設(shè)計(jì)走得更遠(yuǎn)一些。它使用算法開發(fā)新的創(chuàng)意解決方案，不僅優(yōu)化材料分布，還擴(kuò)展設(shè)計(jì)空間。拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)不僅適用于部件物理屬性至關(guān)重要的領(lǐng)域，例如航空航天或汽車，而且也適用于創(chuàng)意領(lǐng)域和建筑。

空中客車A320的一部分，采用衍生式設(shè)計(jì)開發(fā)。（照片來源：Autodesk） 

在航空航天領(lǐng)域，拓?fù)鋬?yōu)化有助于改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)更輕的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，例如加強(qiáng)筋，這有助于降低燃料消耗。例如Andreas Bastian的工作，他設(shè)計(jì)的飛機(jī)座椅重量減輕了54%，顯著減輕了飛機(jī)的整體重量。但空中客車等公司也使用衍生式設(shè)計(jì)來制造更強(qiáng)大的零件和創(chuàng)意組件。一個著名的例子是空客A320的艙壁，其制造靈感來自自然生長過程。

在汽車行業(yè)，拓?fù)鋬?yōu)化通過減輕重量來改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，有助于開發(fā)輕質(zhì)、穩(wěn)定和安全的車輛。由于將超過12個不同的部件集成在一個零件中，菲亞特克萊斯勒的懸架系統(tǒng)減少了36%。衍生式設(shè)計(jì)還用于通過創(chuàng)建新的解決方案來優(yōu)化汽車零部件。它使公司能夠提高產(chǎn)品的性能并滿足日益增長的環(huán)保要求。例如，布加迪使用衍生式設(shè)計(jì)軟件開發(fā)Chiron的機(jī)翼控制系統(tǒng)，從而優(yōu)化了裝配并減輕了50%以上的重量。但保時捷還使用衍生式設(shè)計(jì)為911 GT2 RS的高性能發(fā)動機(jī)制造了創(chuàng)新活塞。

使用生成設(shè)計(jì)開發(fā)的車輛設(shè)計(jì)。與骨骼結(jié)構(gòu)的相似性在這里尤其引人注目，未來優(yōu)化的車輛可能會與它們相似。（圖片來源：西門子）

在醫(yī)療領(lǐng)域，我們的兩個建模工具也發(fā)揮著決定性的作用。拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用的一個例子是NuVasive的定制植入物，它使用晶格結(jié)構(gòu)來減輕重量而不影響穩(wěn)定性。相比之下，生成設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的解決方案，特別是在骨整合領(lǐng)域，其中植入物的設(shè)計(jì)類似于天然骨骼的結(jié)構(gòu)。這促進(jìn)了3D打印植入物上新骨組織的生長，從而提高了長期穩(wěn)定性。雖然醫(yī)療領(lǐng)域的拓?fù)鋬?yōu)化通常旨在提高效率和減輕重量，但衍生式設(shè)計(jì)側(cè)重于對個體患者解剖結(jié)構(gòu)的最佳適應(yīng)，特別是在制造患者專用假體時。

此外，生成設(shè)計(jì)用于建筑和施工中，為空間創(chuàng)造新穎和功能性的概念，同時為復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題提供解決方案。拓?fù)鋬?yōu)化也越來越多地應(yīng)用于建筑中，以改善現(xiàn)有建筑形式并增加承載能力。這兩種方法都允許建筑師在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)更高效的結(jié)構(gòu)，通常從自然結(jié)構(gòu)中汲取靈感。MX3D公司的橋梁就是一個例子，它采用生成式設(shè)計(jì)在阿姆斯特丹的一條運(yùn)河上建造。

時尚和珠寶行業(yè)主要使用衍生式設(shè)計(jì)，因?yàn)橹攸c(diǎn)較少放在優(yōu)化重量等因素上，而更多地放在創(chuàng)造創(chuàng)意和原創(chuàng)形狀上。設(shè)計(jì)師Julia K?rner就是一個例子：她為大片《黑豹》設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的3D打印服裝。Anouk Wipprecht還使用生成設(shè)計(jì)，例如她的ScreenDress，然后使用MultiJet Fusion技術(shù)創(chuàng)建。在這里，最重要的是突破傳統(tǒng)時尚的極限，并利用數(shù)字設(shè)計(jì)流程創(chuàng)造新的美學(xué)結(jié)構(gòu)。

左邊是Anouk Wipprecht設(shè)計(jì)的連衣裙，右邊是Julia K?rner設(shè)計(jì)的連衣裙。（照片來源：Anouk Wipprecht、Julia K?rner）

軟件和供應(yīng)商

為了有效地使用拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)，需要專門的軟件解決方案。對于拓?fù)鋬?yōu)化，Oqton的3DXpert等工具是理想的選擇，特別是對于植入物和復(fù)雜的幾何形狀。但Altair Inspire也是汽車和航空航天行業(yè)應(yīng)用的理想選擇。Ansys Discovery和Netfabb還提供拓?fù)鋬?yōu)化支持，以確保穩(wěn)定的3D打印。Netfabb還有免費(fèi)試用版，否則價格為一年5,300歐元或三年15,895歐元。另一個軟件解決方案是ParaMatters的CogniCAD，這是一個結(jié)合了拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)的云平臺，專門研究復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。要使用CogniCAD，您可以購買代幣，價格從14.90美元到5.90美元不等，具體取決于您選擇的軟件版本。

Z88Arion?是一款免費(fèi)軟件，具有三種用于拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)化算法。另一方面，西門子NX-12因集成了基于收斂建模技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化而脫穎而出，可實(shí)現(xiàn)完美的3D建模，并產(chǎn)生更輕但更堅(jiān)固的組件。該軟件適用于生成設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化。

nTpo是一款適合生成式設(shè)計(jì)的軟件。（照片來源：nTopology）

對于生成式設(shè)計(jì)，nTopology提供功能強(qiáng)大的nTop軟件，該軟件為滿足個性化需求提供生成工具。Autodesk的Fusion 360也是一個不錯的選擇，具有草圖繪制、曲面建模和渲染等功能，并且可用于拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)。其他軟件包括Creo Parametric和Creo Generative Design，它們使用云技術(shù)創(chuàng)建優(yōu)化的設(shè)計(jì)概念并快速實(shí)施經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。另一個軟件解決方案是Hexagon的MSC Apex Generative Design，它適合制作詳細(xì)而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；或認(rèn)知設(shè)計(jì)，這將使您能夠快速獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

編譯整理：3dnatives