基于增材思维的创成式正向设计 课件06创成式设计软件工具的使用

创成式设计软件工具

目录新的设计思考——基于系统性的增材思维新的设计方法——创成式设计创成式设计的软件概述创成式设计方法的应用及前景第1课授课教师：

新的设计思考——基于系统性的增材思维

新的设计思考——基于系统性的增材思维相较传统制造模式，增材制造最突出的优点是快速、简便、易行——其缩短了产品从设计到制造的流程，提升了制造弹性，能够精准的满足用户需求，可以服务于单件小批制造模式。这些优势使增材制造成为了与传统减材制造并驾齐驱的生产技术，并逐渐对产品研发模式产生影响。“增材制造技术是引领未来制造业趋势的众多突破之一，将成为第三次工业革命到来的标志”——2012年4月，英国《经济学人》报道

设计和工艺的最佳融合诞生了增材制造技术，它对于传统减材制造的设计理念是颠覆的。随着增材制造研究的飞速发展，以及其在应用领域不断扩展，传统减材制造的设计模式已严重制约了增材制造的优势，因此其对专业设计的需求也极其迫切。近年来，国内外研究人员不断根据增材制造的成型特点，积极拓展设计思路，逐步完善了全新的服务于增材制造的设计理念。新的设计思考——基于系统性的增材思维

随着人们物质文化生活水平的提高，消费需求逐渐呈现出差异化、多样化、个性化、情绪化等特征，究其原因，是因为物质上的富足使人们更加注重自我的情感需求。个性化鲜明的产品，能够突显情趣化、概念化、差异化的特征，恰恰满足了消费者求新、求异、追求多层次、高层次的心理欲望，因而倍受青睐。

得益于增材制造技术的发展，产品从设计到制造的链条大大缩短，制造效率迅速提升，在这样一种背景下，定制化设计、用户参与设计等新型设计模式逐渐进入人们的视野，全民参与设计，制造出凝聚自己智慧与劳动、倾注了丰富的个人情感的自己专属的产品必将成为一种趋势。新的设计思考——基于系统性的增材思维第2课授课教师：

新的设计方法——创成式设计

新的设计方法——创成式设计：创成式设计的概念创成式设计（GD）是一个人机交互、自我创新的过程。基于设计师/工程师的设计意图，通过“创成式”系统，生成一系列可行性设计方案的三维数字模型，通过综合对比，筛选出最优化设计方案推送给设计者进行决策。

目前比较著名的创成式设计系统包括RobertMcNeel&Assoc旗下Rhino软件的Grasshopper模块，Autodesk的Within、Dreamcatcher，西门子的SolidEdgeST10等。GD将激发设计师获得更多思维灵感，创造出拥有非同寻常的复杂几何结构的设计作品。增材制造技术则可以将这些复杂的设计方案转化为实体，可以预见，在不久的将来GD与增材制造将会更好的结合，推进制造业的转型与发展。

新的设计方法——创成式设计：创成式设计的概念西门子是应用GD开发产品的行业先锋之一。他们将拓扑优化引入到SolidEdge3D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增材制造设备上进行生产，或是在SolidEdge中进一步优化，以用于传统制造。SolidEdge提出基于生物进化与CAD的设计结合，以实例展示其功能。SolidEdge界面图片来源网络

新的设计方法——创成式设计：创成式设计的概念在SolidEdgeST10系统中，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。SolidEdge模型图片来源网络

新的设计方法——创成式设计：创成式设计的概念随后SolidEdge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，并且在优化结果中还能显示应力的分布情况。SolidEdge的创成式设计将CAD设计、优化设计和CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程）分析无缝集成在一起。SolidEdge模型图片来源PrototypeToday

新的设计方法——创成式设计：创成式设计方法流程

GD是CAD、CAE、OPT技术的融合。首先通过CAD工具完成产品初始实体的建模工作，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，最后利用CAE工具进行仿真验证，对比几种优化方案后，选择最优的一种。创成式设计流程图图片来源网络

新的设计方法——创成式设计：创成式设计方法流程优化设计可以使设计师从众多设计方案中获得较为完善的最优方案，因此在GD中十分重要。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。

在机械结构件设计中，GD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，GD是最有效的设计工具。但区别于传统的经验式设计模式，GD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。不过，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。

创成式设计的软件概述：GD编程环境

GD可以通过多种语言实现程序设计，其中较为常用的是Processing语言，该语言于2001年由麻省理工学院媒体实验室提出，主创者为BenFry和CaseyReas，项目发起的初衷，本是为了满足他们自身的教学和学习需要。后来，当Casey在意大利的伊夫雷亚交互设计学院（InteractionDesignInstituteIvrea）进行教学的时候，基于Processing，衍生出了Wiring和Arduino项目。Processing完成的平面作品图片来源网络

创成式设计的软件概述：GD编程环境

Processing项目是Java语言开发的，所以Processing天生就具有跨平台的特点，同时支持Linux、Windows以及MacOSX三大平台，并且支持将图像导出成各种格式。对于动态应用程序，甚至可以将Processing应用程序作为Java™applet导出以用在Web环境内。Processing免费供设计爱好者们下载使用，官网：。

创成式设计的软件概述：基于建模软件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）Rhino是1998年美国RobertMcNeel公司推出的一款基于NURBS为主三维建模软件。NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的缩写，即非均匀有理B样条。NURBS是专门做曲面造型的一种设计手法，其造型总是由曲线和曲面来定义的，所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。因此设计师可以利用这一特点做出各种复杂的曲面造型或表现特殊的效果，如特殊的纹理或流线型的跑车等。

创成式设计的软件概述：基于建模软件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）

Grasshopper（简称GH）是一款基于Rhino环境，采用程序算法生成模型的插件，是目前设计专业内参数化设计的入门软件。与传统建模工具相比，GH的最大的特点是可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果。通过编写建模逻辑算法，机械性的重复操作可被计算机的循环运算取代；同时设计师可以在设计模型中植入更加丰富的生成逻辑。

创成式设计的软件概述：基于建模软件的GD插件GenerativeComponents（BentleySystems）

GenerativeComponents一是款计算型建筑设计软件，能快速浏览最复杂建筑的大批“假设”方案，能够在更短的时间内发现更多潜在机会，有效地创建和管理复杂的几何关系图。通过自动化设计流程，能够加速设计迭代，追求形式更自由的设计，设计师可以进行前所未有的设计和探索。

创成式设计的软件概述：基于建模软件的GD插件DynamoforRevit

Dynamo是基于Revit的参数化设计的辅助工具，它可以实现Revit自身无法实现的功能，功能极其丰富和强大。同时Dynamo也是一种编程工具，它的程序非常灵活，可以跨行业规程进行使用。

创成式设计的软件概述：基于建模软件的GD插件DynamoforRevitDynamo也是一种可视化编程工具，用于定义关系和创建算法，可以在3D空间中生成几何图形和处理数据。在使用Dynamo电池的时候，使用者需要像程序员一样思考，不仅要熟悉3D模型的构建流程，还需要知道各个电池组件之间的关系。使用者想要成功地利用Dynamo进行参数化应用的关键点在于充分掌握Dynamo的工作方式，并且需要在构建参数化前建立一个清晰的规划过程。

创成式设计的软件概述：具有GD功能的典型CAD软件Catia/GenerativeCatia/Generative是法国达索公司开发的一种创成式三维建模软件，能够实现面向生产加工的复杂造型构建，具有以下基本功能创成式工程绘图GDR、创成式外形设计GSD、创成式曲面优化GSO、创成式零件结构分析GPS、创成式装配件结构分析GAS。DigitalProject(DP)参数化建模软件，是以Catia为基础精简改进而成，被去除了大量被认为在建筑领域不需要的功能。

创成式设计的软件概述：具有GD功能的典型CAD软件Autodesk/Netfabb

美国欧特克公司在涉足制造业产品后，先后收购了包括Moldflow、Delcam以及PanComputing在内的一系列软件和制造加工企业，在整合资源后推出了Autodesk/Netfabb创成式工程软件。在AutodeskNetfabb的解决方案中，融合了Delcam的机加工技术和PanComputing用于增材制造的模拟仿真软件，是目前行业中真正具备生产实践能力的软件系统之一。

创成式设计的软件概述：具有GD功能的典型CAD软件SolidEdgeST10SolidEdgeST10是一款由西门子公司发布的功能强大、操作友好的全新模型设计软件，SolidEdgeST10采用全新的创成式建模、增材制造和逆向工程功能（所有这些功能均通过Siemens收敛建模技术实现），可以简化复杂的设计和制造过程。并且以全新的设计技术、增强的流体和热传递分析以及云协同工具，为设计、仿真和协作提供强大的附属功能，全面提升产品开发每个阶段的效率和质量。同时搭配使用拓扑优化与创成式设计的系统工具，优化产品的重量、强度和材料用量，使设计人员能够大幅提高产品设计效率，显著增强几何体处理能力。第4课授课教师：

创成式设计方法的应用及前景

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍

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。

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍大型客机组件

2015年12月，Autodesk公司对外公开了其首次应用金属增材制造方式，为空客A320飞机设计的机舱隔离结构。该项目采用GD模式，由空客公司和Autodesk的TheLiving工作室共同开发，采用了空客子公司APWorks开发的一种新型超强轻质合金材料Scalmalloy（铝－镁－钪合金），通过DMSL技术制备而成。这种新型的仿生隔离结构由若干个不同部件组成，采用轻量化结构设计，不同于传统机舱隔离结构，其强度更高，并且使整个增材制造的机舱隔离结构比之前要轻45%（约30kg）。基于增材制造技术加工的A320客机发动机叶片

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍大型客机组件为了创造出尽可能耐用和轻量化的隔离结构设计，该团队寻求从自然界获取灵感，基于定制算法模拟细胞结构和骨骼生长；此外，团队还通过模拟睡莲的强结构来探索如何减轻部件质量，以及从鱼的下颚形态中寻求灵感来改进扭转弹簧的设计。目前，该增材制造的仿生隔离结构已经通过了16G过载测试，并且顺利成为了A320客机的标准组件。A320客机

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍超轻型电动摩托车空中客车集团APWorksGmbH发布了世界上第一辆3D打印摩托车LightRider，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。LightRider摩托车

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍超轻型电动摩托车

LightRider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。

创成式设计方法的应用及前景：不同领域的应用介绍有史以来最长的航天部件

RUAGSpace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，再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。RUAGSpace利用增材制造方法生产的航天器部件

创成式设计方法的应用及前景：未来发展前景融合IoT