基于增材思维的创成式正向设计 课件 第0-2章 绪论、现代设计方法概述

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增材制造技术引发的革命

目录增材制造技术简介增材制造的优势增材制造在生产领域的典型应用增材制造技术引发的设计革命第1课授课教师：增材制造技术简介

增材制造技术简介增材制造，即3D打印，它是一种全新的制造工艺，完全不同于传统材料“去除型”的加工工艺。这种加工方法主要是一个不断添加的过程，在计算机控制下层叠原材料。增材制造的内容可以源于三维模型或其他电子数据，其打印出的三维物体可以拥有任何形状和几何特征。生物3D打印机图片来源CREALITY

增材制造技术简介最早的增材制造技术出现于20世纪80年代，1981年，日本名古屋市工业研究所的小玉秀男发明了两种利用光硬化聚合物的增材制造三维塑料模型的方法；1984年，美国3D系统公司的查克·赫尔发明了立体光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物，将原材料层叠起来。上世纪90年代中期，美国史丹佛大学和卡内基梅隆大学开发出了材料沉积新技术，包括微铸造和喷涂材料，他们的成果使增材制造技术真正成熟起来。3D打印技术之父——查克·赫尔图片来源搜狐

增材制造技术简介增材制造的概念的阐述可以从“广义”和“狭义”两个角度出发，如图所示。从“广义”的角度出发，增材制造的基本特征是材料的累加，它是以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而从“狭义”的角度出发，增材制造则是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。增材制造的概念

增材制造技术简介目前，围绕增材制造出现了许多令人眼花缭乱的称谓：快速成型、直接数字制造、增量制造、“3D打印”、“实体自由制造”、增层制造等。2009年美国材料实验协会（ASTM）专门成立了F42委员会，将各种以材料堆积为特征的加工技术统称为“增材制造”技术，在国际上取得了广泛认可与应用。部分增材制造产品图片来源魔猴

增材制造技术简介实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、陶瓷回转体成型等。增材方法的基本原理就是将三维物体的模型模拟成若干个二维的薄片状平面层，然后利用设备分别制造各薄片层，并逐层堆积，最终完成所需的三维零件。增材制造的原理图片来源Wikipedia

增材制造技术简介增材制造模型可以使用CAD软件包或三维扫描仪生成。手动搜集制作3D图像所需的几何数据过程同雕塑等造型艺术类似，通过3D扫描，可以生成关于真实物体的形状、外表等的电子数据并进行分析。以3D扫描得到的数据为基础，就可以生成被扫描物体的三维数字模型。需要特别指出的是，无论使用哪种3D建模软件，生成的3D模型（通常为.skp、.dae、.3ds或其它格式）都需要转换成.STL或.OBJ这类打印机可以读取的格式。.STL格式下的三维模型

增材制造技术简介使用STL格式文件打印3D模型前需要先进行“流形错误”检查，这一步通常称为“修正”。对于采用3D扫描获得的模型来说，STL文件“修正”尤其重要，因为这样的模型通常会有大量流形错误。常见的流形错误包括，各表面没有相互连接，或是模型上存在空隙等。Meshmixer修正软件的交互界面

增材制造技术简介完成修正后，用户可以使用“切片机”软件功能将存储为STL文件的数字模型转换成一系列薄层，同时生成G代码（加工代码）文件，其中包括针对某种增材制造打印机（如FDM打印机）的定制指令。接下来，用户可以用打印客户端软件打印G代码文件，这种客户端软件可以利用加载的G代码指示3D打印机完成打印过程。增材制造设备根据G代码从不同的横截面将液体，粉末，纸张或板材等材料一层层组合在一起。这些层次与计算机辅助设计模型中的虚拟层次都是相对应的。这些真实的材料层或人工或自动地拼接起来形成增材制造成品。模型切片

增材制造技术简介增材制造按照其加工材料的类型和方式，可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等三种分类方式，如图所示常见分类增材制造技术简介增材打印机类型增材打印机类型工艺材料材料挤出成型熔融沉积成型（FDM）或熔丝制造（FFF）热塑性塑料（例如，PLA、ABS树脂、HIPS、尼龙）、HDPE、共晶、食用材料、橡胶（万能橡皮泥）、雕塑粘土、普莱斯蒂辛橡皮泥、室温硫化有机硅、瓷、金属粘土（包括贵金属粘土）自动注浆成型陶瓷材料、金属合金、金属陶瓷、金属基复合材料、陶瓷基复合材料金属线路型电子束无模成型制造器（EBF3）几乎所有金属合金激光粉末烧结成型直接金属激光烧结（DMLS）几乎所有金属合金电子束熔炼（EBM）包括钛合金在内的几乎所有金属合金激光选区熔化（SLM）钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝选择性热烧结（SHS）热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末粘结剂喷射成型石膏3D打印（PP）石膏层积型分层实体制造（LOM）纸张、金属箔、塑料薄膜光敏聚合物固化成型立体光刻（SLA）光聚合物（环气树脂，丙烯酸脂）数字光处理（DLP）光聚合物第2课授课教师：增材制造的优势

增材制造的优势增材制造技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。尽管CAD为三维构想设计提供了重要的工具，但虚拟数字三维构型仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。CATIA构建的三维模型图片来源网络

增材制造的优势增材制造技术可以实现三维设计、检验与优化，甚至直接制造，直面零件的三维属性进行设计与生产，摆脱了传统二维制造流程的束缚，极大地简化设计流程，促进产品技术的更新与性能优化。增材制造技术实现了零件制造的“自由”，无需传统制造的多重加工工序，一台设备就可以快速的制造出任意复杂形状的并精密的零件，极大地解决了复杂结构零件成型的困难，简化制作流程和制作工序、缩短加工周期。快速原型，快速验证图片来源网络

增材制造的优势增材制造技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型是铸造行业。利用增材制造蜡模可以将生产效率提高数十倍，并且产品质量和一致性也得到大大提升；利用三维打印技术生产用于金属制造的砂型，大大得提高了生产效率和质量。增材制造生成的金属部件图片来源网络增材制造的优势增材制造技术可以满足航空/航天器等装备研制低成本、短周期的需求。统计显示，我国大型航空钛合金零件材料的利用率平均不超过10%，利用率极低；并且模锻、铸造等传统加工方式需要大量的工装模具，将会带来研制成本的飙升。而通过高能束流增材制造技术，在节省三分之二以上材料的同时，还可以减少一般以上的数控加工时间；并且无须模具，因此能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。增材制造下颌骨图片来源网络

增材制造的优势此外，增材制造技术也适用于稀缺或停产设备备件的生产和制造。例如已经停产许久的汽车、飞机、国防等设备的零部件，即使在缺少CAD图纸和相应工模具，甚至设备供应商已经倒闭，相关备件无法取得的情况下，都可以利用逆向工程技术快速得到其三维CAD模型，并使用增材制造快速产出所需备件。利用增材制造技术加工的已停产工件图片来源网络

增材制造的优势增材制造技术还可以制造出极端复杂的几何结构，如超大、超厚、复杂型腔等，甚至是带有带有空间曲面及密集复杂孔道结构扽，这类外形极端复杂的中小型零件。用其他方法很难制造，但通过高能束流增量制造技术，可以节省三分之二以上的材料，减少一半以上的数控加工时间，甚至可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。利用增材制造技术加工的复杂工件图片来源网络

增材制造的优势

通过上述总结可以发现，增材制造技术的优势主要表现在以下几个方面：1）设计上的高度自由；2）小批量生产经济性；3）材料利用效率高；4）生产可预测性好；5）简化生产工序环节。

增材制造的优势

增材制造承载着广阔发展前景的同时，也担负着巨大的挑战和技术突破。增材制造的广泛适用性，使它涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量等方方面面，其中包含着诸如激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制及先进装备的研发等大量研究工作。材料单元的控制技术设备的再涂层技术高效制造技术复合制造技术Adira研发的大型平铺激光熔融(TiledLaserMelting)金属3D打印机图片来源印联传媒

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第一章增材制造技术引发的革命第3课授课教师：增材制造在生产领域的典型应用

增材制造在生产领域的典型应用——航空工业

2015年5月，空中客车公司宣布其最新机种——空中客车A350XWB，有超过1000个部件是利用增材制造技术生产的。2016年，华中科技大学机械教授张海鸥研究团队与空客签订了技术合作协议，该团队所研究的“智能微铸锻铣复合制造技术”可将金属铸造、锻压技术合二为一，优于“铸锻铣分离”的传统制造方式，该技术以金属丝材为原料，材料利用率达到80%以上，丝材料价格成本为当前普遍使用的镭射扑粉粉材的十分之一左右。基于智能微铸锻铣复合制造技术制造的航空发动机部件图片来源华科大官网

增材制造在生产领域的典型应用——汽车工业

2013年，美国LocalMotors公司与橡树岭国家实验室，以及Cincinnati公司正在合作研发大型的增量制造系统组装整车车体。LocalMotors公司还计划2014年9月在国际生产科技展上在观众面前现场打印汽车：汽车底盘和车身由纤维加强的热塑性塑料制成，没有动力传送系统，车轮和车闸重量不足450磅，全车总共也只有40个零部件，并且随着每次改进，零部件的数量会越变越少。LocalMotors公司利用增材制造技术生产的新型汽车图片来源LM官网

增材制造在生产领域的典型应用——食品工业康奈尔创新机器实验室指出，利用HydrocolloidPrinting型3D打印机可以进行定制食物的生产：能够把巧克力、糖果、通心粉、饺子、奶酪、披萨等食物一层一层地“挤”出来。格拉斯哥大学的LeroyCronin教授在一篇TED演讲中提到，未来可能利用化学物质作为增材制造设备的“墨水”，进而生产药物。3D打印食物图片来源网络

增材制造在生产领域的典型应用——服装工业增材制造技术逐渐应用到服装领域，时装设计师们也会使用3D打印的外套、鞋子和裙装进行时装设计构思。耐克在2012年为美国球员设计的VaporLaser足球鞋的制模和生产中，就利用了增材制造技术。同样的，还有NewBalance利用3D打印技术进行运动员专用跑鞋的私人定制生产。另外，部分公司正在研究基于3D打印制造的眼镜，这些产品可以根据用户需求进行完全定制，最大程度的提升用户满意度。VaporLaser足球鞋图片来源Nike官网

增材制造在生产领域的典型应用——医疗产业增材制造技术已经被应用到生产可移植器官和医用器械等医疗领域。在可移植器官与人体部件方面，当前成功的案例包括一位英国病人成功移植了钛骨盆，一位比利时病人成功移植了钛下颌和一个美国婴儿成功移植的塑料气管夹板，另外，针对关节炎和癌症损伤器官的移植，相关的3D打印研究正在进行中。3D打印技术也可以应用于人体皮肤组织的构建，2014年3月，斯温席海港的外科医生使用3D打印材料对一位车祸受重伤的汽车驾驶员的面部进行了修复。在耳鼻喉与口腔领域，听骨链和牙冠将有望通过3D打印快速制造出来。3D打印脊柱节段图片来源网络感谢观看THANKSFORWATCHING

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、.OBJ等增材制造格式，且增材制造软件可以根据设计者的要求按照固定比例为模型赋予参数并形成加工代码，加工设备可以直接读取代码并将模型实体化，整个过程灵活快捷，且无需设备操作者具有精深的专业知识。增材制造设备的使用门槛相对较低感谢观看THANKSFORWATCHING

基于增材思维的创成式正向设计GenerativeDesignforAM第二S曲线出现3D生物打印3D

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平动的机构：曲柄连杆机构、螺旋机构等；实现微小变化，可以通过比例缩放实现，或尺寸参数设计•机构：例如采用连杆机构目标：低成本实现高精度宽度可变狭缝;宽度范围：0~2mm，宽度精度±0.002mm原理验证：运动范围能够保证，；分辨率是否足够小。能满足就是技术可行机构。•精度实现方法：加工保证：难实现、成本高闭环伺服控制：机构复杂、成本高精度校正：有没有方法？——可研究的方向误差来源：加工误差，装配误差。低成本加工，普通精度一般可达到±0.1mm模拟实际机构误差模拟实际机构尺寸罐惆重千际机构尺假设实

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