基于增材思维的创成式正向设计 课件01增材制造技术引发的设计革命

基于增材思维的创成式正向设计

第一章增材制造技术引发的革命第4课授课教师：增材制造技术引发的设计革命

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想增材制造作为一种高速发展的新兴生产技术，已经在某些领域有所应用。但目前该技术的普及速度十分缓慢，究其原因，一方面是由于相较传统减材制造技术，增材制造在成本、加工精度等方面劣势明显；另一方面，现阶段绝大多数设计师/工程师所熟悉的生产加工技术仍是减材或等材制造技术，他们了解这类传统技术所要求的设计/研发规则，在产品开发过程中会根据这些技术的特点来调整研发方案，多年来形成的规则已经占据了设计师/工程师的大脑，并产生了对新技术的抵抗性。普通3D打印机的精度相对较低图片来源网络

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想这就意味着，当设计师/工程师面对增材制造技术时，需要一种与之对应的设计思维来帮助他们快速消化吸收并有效应用这类新技术。在这样一种背景下，为增材制造而设计（DfAM）的研发思想逐渐产生并发展起来。DfAM设计软件界面图片来源网络

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想为增材制造而设计的最常见定义是：基于增材制造技术的能力，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。DfAM又不仅仅是一种工具，更是一种策略，考虑如何获得最优的结构形状，如何将最优结构形状与最优产品性能结合，如何在设计时将3D打印零件的后处理等工艺对设计的影响考虑进来。

DfAM要求设计师重点把握以下几点内容：1）理解不同技术的增材制造加工过程；2）考虑增材制造过程中的支撑结构；3）考虑不同技术带来的不同表面质量；4）考虑不同的后处理工艺要求。

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想

DfAM模式中最具潜力的设计思维即是创成式设计（GenerativeDesign,GD）。GD是根据一些起始参数通过迭代并调整的方式来找到一个（优化）模型。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。简言之，GD是通过设计软件中的算法自动生成产品、建筑、艺术品模型的设计方法，是一种参数化的建模方式。设计师在设计过程中，只需要输入产品参数，算法就会自动进行调整判断，直到获得最优设计。Autodesk公司旗下的GD软件Fusion360图片来源Autodesk官网

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想增材制造策略与传统制造策略在流程、方法上有很大差异，它适合加工表面工艺复杂，拥有大量有机形态、单件小批量制造的产品，因而，增材制造是创成式设计的用武之地：1）GD满足增材制造的设计需求；2）GD可以通过计算机程序来表达参数及其关系，用复杂关系生成数字几何，并进一步通过AM转化为物理模型；3）GD可以利用计算机远超人类的计算能力，模仿自然进化法则，根据一些基于模型的功能、性能和约束参数，通过迭代并调整来找到一个（优化）模型的设计方法；4）GD可通过在约束范围内调整参数得到很多意想不到的创新形式，帮助设计师探索更广泛的设计空间；5）目前，GD已经在建筑设计领域进行了应用实践，服务于建筑设计的GD系统通常是通过参数化建模软件来定义的，它使用一组参数来驱动一系列几何运算，从而生成最终形式。

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想然而，目前GD在产品设计领域并未获得广泛应用，导致这种现象的原因之一即是从业者对于增材制造技术所要求的设计规则知之甚少。突破传统制造思维的限制已经成为增材制造与GD能否发挥潜力所面临的一大挑战。当前，人们对于个性化、定制化、多样化的产品已经有了极大的需求，标准化的产品在未来市场中将受到冷落。但是，由于为顾客量身定制的产品大多存在成本高昂、设计/制造周期较长等问题，因此这类产品主要集中于奢侈品、文化创意产品等领域，很难大范围推广。定制化文创产品图片来源第十二届中国艺术节演艺及文创产品博览会

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想随着增材制造技术的不断进步，个性化定制产品将迎来一个全新的发展期。技术成熟的增材制造生产策略将能够大幅度降低个性化定制产品的成本，使其最大限度接近批量生产的水平，打破限制个性化定制产品发展的最大壁垒。当个性化定制产品获得普及后，用户可以通过基于GD构建的网络数据库选择产品的基础样式，然后商家根据用户的需求对产品进行深化设计，当用户确认产品方案后，商家以增材制造的方式进行生产。定制化工业产品图片来源LocalMotors官网

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想增材制造应用于个性化定制产品，其中有一个核心要素——即3D模型数据。不论是用户挑选商品，还是商家修改设计产品，都需要通过3D模型数据来实现。就好比消费者在淘宝购物时，需要浏览商品图片一样，只不过3D模型所提供的数据信息更多、更丰富。GD可以基于已有的规则，结合潜在购买者的现实需求，为用户提供符合他们偏好的产品，这些产品方案被存储在线上数据库中，可供商家和消费者自由调用。增材制造通过与GD的紧密配合，让定制产品真正实现了个性化。

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想增材制造对于产品开发最核心的意义，在于能够帮助设计师/工程师实现快速原型制作，降低样机开发成本，大幅缩短产品开发周期，减少产品开发风险。在整个设计流程中，增材制造技术可以在产品造型论证、结构论证、造型样机制作、工程原型制作等环节发挥关键作用。捷豹XJEV原型车

增材制造技术引发的设计革命——面向增材制造的设计思想消费类工业产品研发过程可包括产品策划、市场调研、目标人群分析、造型/功能规划与论证、造型/功能设计、造型样机制作、产品结构设计与论证、工程原型制作、产品试产及论证、产品量产等步骤。在传统的开发过程中，产品样机的制作往往要通过减材制造手段来完成，设计师/工程师需要就产品参数、配合方式、公差等进行大量分析讨论，费时费力。增材制造的出现能够在一定程度上解决上述问题：由于大多数三维模型格式都可以直接转化成.STL