創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design，GD）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計(jì)意圖，通過“創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案的幾何模型，然后進(jìn)行綜合對(duì)比，篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）是設(shè)計(jì)師的福音，可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，已成為創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的“好搭檔”。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與增材制造的發(fā)展正在改變著設(shè)計(jì)制造的模式。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design，GD）是CAD\CAE\OPT技術(shù)的融合。首先通過CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）工具完成產(chǎn)品的初始實(shí)體建模工作，再通過OPT（Optimization，優(yōu)化技術(shù)）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行重構(gòu)，利用CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)比幾種優(yōu)化方案后，選擇最優(yōu)的一種。

圖：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)流程圖（圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)）

優(yōu)化技術(shù)在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中占有十分重要的作用，它能使設(shè)計(jì)者從眾多的設(shè)計(jì)方案中獲得較為完善的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型，優(yōu)化設(shè)計(jì)分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。

尺寸優(yōu)化：在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局拓?fù)浜屯庑螏缀蔚那闆r下，優(yōu)化各個(gè)組成構(gòu)件的截面尺寸，使結(jié)構(gòu)最輕或最經(jīng)濟(jì)，它是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的最低層次；

形狀優(yōu)化：若結(jié)構(gòu)的幾何可以變化，如把桁架和剛架的節(jié)點(diǎn)位置或連續(xù)體邊界形狀的幾何參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化又進(jìn)入了一個(gè)較高的層級(jí)，即所謂的形狀優(yōu)化；

拓?fù)鋬?yōu)化：若再允許對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)關(guān)系或連續(xù)體結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行優(yōu)化，則優(yōu)化達(dá)到最高的層級(jí)，即結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化相對(duì)于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計(jì)自由度，能夠獲得更大的設(shè)計(jì)空間，最具發(fā)展前景。

拓?fù)鋬?yōu)化一方面可以幫助設(shè)計(jì)師根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，在指定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；另一方面，可以優(yōu)化改善結(jié)構(gòu)性能、減輕產(chǎn)品質(zhì)量，最后找到一種全新的設(shè)計(jì)方案。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)主要是拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization，TO），即根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的方法。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被大量運(yùn)用。對(duì)于超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的新型結(jié)構(gòu)來說，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是最有效的設(shè)計(jì)工具。但區(qū)別于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)模式，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)面臨一個(gè)極大的難題：結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，可制造性差，依靠傳統(tǒng)的制造方法根本無法制造出產(chǎn)品原型。但隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過創(chuàng)出式設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)就能夠在短時(shí)間里被加工制造出來。

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過快速成型設(shè)備（3D打印機(jī)），運(yùn)用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來生成3D實(shí)體。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，增材制造將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床、眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)盡顯，如：制造復(fù)雜物品不增加成本；設(shè)計(jì)空間無限；減少廢棄副產(chǎn)品；材料無限組合等等，堪稱為制造工藝的顛覆性創(chuàng)新。

圖：增材制造之激光選區(qū)熔化技術(shù)SLM原理

增材制造技術(shù)可以幫助企業(yè)打印復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使用多孔結(jié)構(gòu)、異質(zhì)材料功能梯度結(jié)構(gòu)、合金/復(fù)合材料/納米材料等高性能材料，讓企業(yè)不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源的約束，讓工程師在“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”、“設(shè)計(jì)即產(chǎn)品”的理念下，按照最理想的結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)產(chǎn)品，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化和高性能得以實(shí)現(xiàn)，“功能性優(yōu)先”變?yōu)榭赡堋?/p>

增材制造技術(shù)的進(jìn)步和大范圍應(yīng)用，則意外地將各種美而復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案從可制造性約束的束縛中解放出來，使創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的價(jià)值得以完全的發(fā)揮。

圖：增材制造流程

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)突破了設(shè)計(jì)極限，而號(hào)稱“沒有造不出的原型”的增材制造技術(shù)為這類產(chǎn)品的加工提供了有利保證。反過來，增材制造技術(shù)的價(jià)值也需要?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)來體現(xiàn)，因?yàn)橹挥挟a(chǎn)品結(jié)構(gòu)足夠復(fù)雜才值得通過增材制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與增材制造的融合是企業(yè)創(chuàng)造出突破性創(chuàng)新產(chǎn)品的重要途徑，且這兩項(xiàng)技術(shù)的融合，正在顛覆傳統(tǒng)，改變著設(shè)計(jì)制造的模式。

對(duì)于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，各個(gè)廠商都有自己獨(dú)特的理解，但是目標(biāo)不約而同。其中，Autodesk提出的（generative design）“衍生式設(shè)計(jì)”，與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)如出一轍；PTC在CREO4.0新版本中提出“專為增材制造而設(shè)計(jì)”的解決方案；SolidWorks提出基于nTopology技術(shù)的的下一代增材制造設(shè)計(jì)方案；Altair優(yōu)化技術(shù)和增材制造的巧妙結(jié)合更是使輕量化設(shè)計(jì)上升到一個(gè)全新的高度。Solid Edge在其ST10新版本中也提出了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念。

歐特克從兩三年前開始提“未來智造(the Future Of Making Things，縮寫為FOMT)”的概念，以契合‘幫助人們想象、設(shè)計(jì)并創(chuàng)造更美好的世界’這一歐特克從未改變的愿景，隨著一步一步技術(shù)和產(chǎn)品的迭代，以及與最新的技術(shù)進(jìn)行交互，最終推出了衍生式設(shè)計(jì)這一代表著下一代CAD應(yīng)用方向的技術(shù)。

衍生式設(shè)計(jì)，是由英文Generative Design翻譯而來，是指在傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)零部件的承載進(jìn)行應(yīng)力分析和拓?fù)鋬?yōu)化，通過拓?fù)鋬?yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，并在滿足功能和性能要求的基礎(chǔ)上，從多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案中找到功能和性能要求相同但重量更輕的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化的零件重量甚至可以達(dá)到優(yōu)化之前的十分之一。然后，再利用增材制造技術(shù)將這些傳統(tǒng)制造工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造出來，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)創(chuàng)新過程，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)制造整個(gè)流程，可以說對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)而言是個(gè)顛覆性的轉(zhuǎn)變。

Autodesk Within就是一套衍生式設(shè)計(jì)軟件解決方案，主要通過一種優(yōu)化的引擎獲取輸入?yún)?shù)——比如要求的重量、最大應(yīng)力和位移等——隨后生成帶有“可變密度晶格結(jié)構(gòu)和表面外觀”的設(shè)計(jì)。而最后的對(duì)象可以根據(jù)嚴(yán)格的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，最終所得的組件將由于使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出來的部件。除了Autodesk Within之外，歐特克還在開發(fā)其它衍生式設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其中包括Project Dreamcatcher。

圖：采用衍生式設(shè)計(jì)的豐田氣缸蓋

衍生式設(shè)計(jì)的出現(xiàn)加速了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的淘汰，在一定程度上降低了設(shè)計(jì)者的準(zhǔn)入門檻，工程師只需要在不同的設(shè)計(jì)階段給出各種約束和限制性條件，計(jì)算機(jī)就能根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、材料工程、分析仿真等新興技術(shù)給出設(shè)計(jì)方案，從而將設(shè)計(jì)過程變得更加智能，讓設(shè)計(jì)的門檻進(jìn)一步降低。

增材制造（3D打印）的定義很簡(jiǎn)單，但過程并不簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)師通常需要使用多個(gè)軟件包導(dǎo)出、重新設(shè)計(jì)、優(yōu)化和重新導(dǎo)入模型。Creo 4.0中新增的擴(kuò)展程序Additive Manufacturing Extension終結(jié)了這種現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了3D CAD與3D打印之間的流程。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

單一環(huán)境。從概念開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)直到打印，始終在同一環(huán)境中完成。不需要在軟件包之間進(jìn)行切換，所以錯(cuò)誤的數(shù)量、乏味的工作和過程總時(shí)間都會(huì)減少。

晶格創(chuàng)建。可以創(chuàng)建參數(shù)控制的均勻晶格結(jié)構(gòu)，還可以進(jìn)行可變性控制加強(qiáng)晶格。與仿真技術(shù)相結(jié)合可以優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)以同時(shí)解決多個(gè)設(shè)計(jì)要求。

圖：輕松創(chuàng)建復(fù)雜可變的晶格結(jié)構(gòu)

互聯(lián)打印機(jī)支持。直接連接到Stratasys和3D Systems打印機(jī)，了解構(gòu)建時(shí)間、材料使用情況和材料/顏色的分配，直接支配這些打印機(jī)進(jìn)行打印。

創(chuàng)建并管理打印托盤。構(gòu)建、跟蹤、驗(yàn)證并管理打印作業(yè)，然后存儲(chǔ)并重復(fù)使用這些作業(yè)。通過對(duì)多個(gè)元件進(jìn)行自動(dòng)定位和排樣，可以優(yōu)化打印托盤，從而節(jié)省時(shí)間和成本并節(jié)約材料。連接到支持的打印機(jī)時(shí)，還可以在托盤中為零件分配材料和顏色。

改善快速原型設(shè)計(jì)。打印與最終設(shè)計(jì)的零件匹配度更高的原型，以使測(cè)試更有意義。

SOLIDWORKS所倡導(dǎo)的“The Future of Design”，是幫助工程師做正確的事情，而非一味地追求越來越快、性能越來越好的軟件。未來的工程師主要精力將放在“對(duì)”的產(chǎn)品上，而不是繁瑣的畫圖工作，當(dāng)人工智能發(fā)展到一定階段，工程師只需要將限制條件輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就會(huì)去探索每一種可能的設(shè)計(jì)方案，工程師只需選擇“對(duì)”的設(shè)計(jì)。

在SOLIDWORKS WORLD 2017用戶大會(huì)上，SOLIDWORKS表示將通過與Stratasys公司合作，推出基于nTopology技術(shù)的，“改善功能、效率和重量比”的下一代增材制造設(shè)計(jì)方案。

圖：SOLIDWORKS與Stratasys共同推出“改善功能、效率和重量比”的下一代增材制造設(shè)計(jì)方案

結(jié)合nTopology技術(shù)，SOLIDWORKS將提供產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的新方法。以競(jìng)技自行車為例，在腳踏板輕量化的過程中，既要保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)加工制造的約束。以競(jìng)技自行車為例，在腳踏板輕量化的過程中，既要保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又要應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)加工制造的約束。將增材制造技術(shù)和nTopology技術(shù)結(jié)合，可以很好的解決這一問題。

圖：競(jìng)技自行車腳踏板輕量化設(shè)計(jì)

solidThinking的兩款軟件Inspire和Evolve配合3D打印使用，可以形成一個(gè)優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)流程，幫助設(shè)計(jì)人員考慮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中很難解決的問題，將產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)發(fā)揮到極致，同時(shí)還能讓產(chǎn)品性能有所提升。目前這種高效的設(shè)計(jì)方法已在航空航天、汽車、制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用并獲得了贊譽(yù)。

solidThinking Evolve為設(shè)計(jì)人員提供完整的三維建模及渲染環(huán)境。solidThinking Inspire為設(shè)計(jì)工程人員提供“仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”的創(chuàng)新解決方案，它采用Altair先進(jìn)的OptiStruct優(yōu)化求解器。

OptiStruct是一個(gè)基于有限元技術(shù)的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化工具。OptiStruct在給定的設(shè)計(jì)空間中能夠自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。憑借其無可比擬的優(yōu)化技術(shù)，OptiStruct在工業(yè)界屢獲大獎(jiǎng)。OptiStruct在設(shè)計(jì)的早期階段利用最少的輸入預(yù)測(cè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，并在隨后的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改良，使優(yōu)化設(shè)計(jì)更加方便、穩(wěn)健和精確可靠，并為CAE技術(shù)找到自主創(chuàng)新的突破口。此外，利用先進(jìn)的優(yōu)化算法和精確的內(nèi)嵌求解器，OptiStruct能在較短時(shí)間內(nèi)解決數(shù)百萬設(shè)計(jì)變量的復(fù)雜優(yōu)化問題。以雷尼紹（Renishaw）的開瓶器模型作為對(duì)象簡(jiǎn)單介紹solidThinking產(chǎn)品對(duì)接3D打印操作流程。

（1）在solidThinking Evolve中構(gòu)建幾何模型，在solidThinking Inspire中進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)問題所在。

（2）在solidThinking Evolve中重構(gòu)幾何。新的形狀需與原始模型外輪廓類似，但內(nèi)部填充為實(shí)體。隨后將該模型導(dǎo)入Inspire中，新模型將作為下一步優(yōu)化時(shí)的設(shè)計(jì)空間使用。

（3）在solidThinking Inspire中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在Inspire中施加與之前相同的工況與載荷，選擇優(yōu)化目標(biāo)為最大剛度，保留優(yōu)化體積為原始模型的30%。隨之進(jìn)行優(yōu)化并獲得優(yōu)化結(jié)果如下。從圖中可以看出，大部分材料都已被去除，只保留了前部受力部分的材料，獲得了最精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖：利用solidThinking Evolve構(gòu)建新的優(yōu)化空間（左） 利用solidThinking Inspire進(jìn)行新結(jié)構(gòu)優(yōu)化（右）

（4）在solidThinking Evolve中重新設(shè)計(jì)。從優(yōu)化結(jié)果看出，開瓶器優(yōu)化后主要保留了前部結(jié)構(gòu)，后面由于受力小或不受力，材料被移除掉了。但是考慮到使用便捷和美觀性，在重新進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)材料分布進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

圖：利用solidThinking Evolve設(shè)計(jì)符合優(yōu)化結(jié)果的全新造型

（5）對(duì)新模型進(jìn)行測(cè)試。在solidThinking Inspire中對(duì)新模型進(jìn)行應(yīng)力仿真分析驗(yàn)證。在Evolve中使用體積計(jì)算工具，獲得新模型與原始模型的質(zhì)量對(duì)比。

（6）模型打印。由于該模型造型復(fù)雜，無法用傳統(tǒng)的開模具、鑄造等方式實(shí)現(xiàn)，因此只能通過金屬3D打印機(jī)打印出來。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)（計(jì)算速度的提升）和加工技術(shù)（增材制造）的發(fā)展，2017年，Solid Edge ST10新版本提出了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念。Solid Edge創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的提出基于生物進(jìn)化與CAD設(shè)計(jì)結(jié)合，以實(shí)例展示其功能。下圖所示為某支架模型，支架中間會(huì)有一個(gè)物體，支架需要把它緊緊地夾住，上面的孔與其它零件相連，不允許改變。下面的螺紋孔起固定作用，不允許改變。

圖：支架初始模型

假設(shè)這個(gè)零件會(huì)被送上太空，每千克的發(fā)射成本高達(dá)10萬元人民幣。那么它的外形應(yīng)該是什么樣的？

用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，不可能得到最優(yōu)的結(jié)果。就像人類的小腿骨不可能用任何一種傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)出來。使用Solid Edge的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)得出的結(jié)果是這樣的。

圖：采用Solid Edge進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì)后的模型

可以看出，該設(shè)計(jì)保留了所有的功能表面，比如定位孔、負(fù)載面。但在自由外形的地方，沒有一處是平面。采用了完全的流線型。可以把材料的使用量降到最低，同時(shí)保留了力學(xué)上的強(qiáng)度安全系數(shù)。

在Solid Edge ST10創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中，用戶可以為零件制定負(fù)載，例如力、壓力或扭矩。然后指定與周圍零件有裝配關(guān)系的面，不允許改變。再指定固定的面。就完成了約束條件的設(shè)定。用戶還可以指定研究精度、希望減少的目標(biāo)質(zhì)量和安全系數(shù)。如果要求的安全系數(shù)高，要求質(zhì)量減少幅度又太大，可能無法獲得有效的結(jié)果。然后Solid Edge就進(jìn)行多次迭代運(yùn)算（類似生命體的逐代進(jìn)化），產(chǎn)生最終的優(yōu)化結(jié)果。在優(yōu)化結(jié)果中還能顯示應(yīng)力的分布情況。Solid Edge的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將CAD設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAE分析無縫集成在一起，達(dá)到近乎完美的結(jié)果。

利用物聯(lián)網(wǎng)IoT技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師將有機(jī)會(huì)獲得之前絕無可能的產(chǎn)品洞察。利用支持IoT的產(chǎn)品或設(shè)備，產(chǎn)品可以將產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)流傳輸?shù)焦こ處熓种小Ｍㄟ^對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)工程師可以了解產(chǎn)品的實(shí)地使用情況、客戶通常會(huì)在哪些方面遇到問題，以及不使用哪些功能。

這些分析結(jié)果可以為后續(xù)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)提供寶貴的建議，以便圍繞產(chǎn)品增強(qiáng)做出更好的決策，例如，如何提高易用性、從哪些方面提高質(zhì)量，以及哪些創(chuàng)新想法最能讓客戶受益。借助這些有力的洞察，工程師將獲得前所未有的能力，可以對(duì)他們產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生直接影響。

將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與IoT融合，不僅可以獲取更多產(chǎn)品的使用情況數(shù)據(jù)，還可以從這些數(shù)據(jù)中獲得價(jià)值。之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就能在現(xiàn)實(shí)而非假設(shè)的基礎(chǔ)上提出更出色、更智能的設(shè)計(jì)。

通過觸摸智能手機(jī)屏幕來執(zhí)行操作或者通過觸摸視覺標(biāo)記來執(zhí)行操作，將設(shè)計(jì)作品疊加到真實(shí)環(huán)境，將不同的假設(shè)和原型直觀呈現(xiàn)出來。基于AR技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得更快速、更智能。

將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與AR融合，可以幫助相關(guān)部門用最短的時(shí)間正確理解產(chǎn)品，此外，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力，也可將通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的產(chǎn)品信息更加直觀的展示。未來，將不再需要傳統(tǒng)的物理樣機(jī)，而是通過數(shù)字世界和物理世界的連接開展產(chǎn)品評(píng)審工作。

較高的成本是妨礙增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)設(shè)計(jì)的抑制因素，但是對(duì)于大規(guī)模項(xiàng)目來說，它將成為一種無價(jià)的工具。

圖：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)融合IoT和VR（圖片來源：PTC）

基于云的架構(gòu)，用戶通過各種終端（PC、手機(jī)、平板）在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下打開瀏覽器登錄并開展創(chuàng)成式設(shè)計(jì)相關(guān)工作。這種模式顛覆了以往的對(duì)CAD\CAE\OPT工具的使用習(xí)慣，工作模式也會(huì)隨之發(fā)生極大變化。借助網(wǎng)絡(luò)及云端工具，IT部門不再擔(dān)心公司電腦的更新?lián)Q代，協(xié)作單位也不需考慮CAD\CAE\OPT工具版本的問題，對(duì)于研發(fā)人員遍布全國或者國外的企業(yè)來說，將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的過程遷入云端無疑是一大福音。

GD+AM技術(shù)融合應(yīng)用的實(shí)例較多。從個(gè)性化定制的家具，仿真骨骼，到自行車鏈條、汽車航空航天零部件等等，這樣的案例已屢見不鮮。具體來說，主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

（1）航空航天、國防軍工：如鈦合金關(guān)鍵大型承力結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃油噴嘴等零部件的設(shè)計(jì)與制造。

（2）汽車等工業(yè)制造業(yè)：高端汽車或賽車的概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審、功能驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜零件的直接和間接制造，異形復(fù)雜表面零部件的制造。

（3）醫(yī)療：仿生骨骼、假肢等；

（4）消費(fèi)品：個(gè)性化家具，時(shí)尚首飾和配飾、服裝鞋帽等的直接制造。

圖：GD+AM應(yīng)用案例（圖片來源：知識(shí)自動(dòng)化）

仿生隔板

空客和Autodesk合作設(shè)計(jì)和制造世界上最大的3D打印飛機(jī)座艙部件，目前被稱為“仿生隔板”。這個(gè)案例用到了兩大主要的未來智造技術(shù)：衍生設(shè)計(jì)（Generative Design的不同翻譯，Autodesk的設(shè)計(jì)理念）、增材制造與新材料。衍生設(shè)計(jì)利用云計(jì)算來計(jì)算滿足特定目標(biāo)和約束的大量的設(shè)計(jì)方案。由于這些設(shè)計(jì)對(duì)于傳統(tǒng)制造手段的制造者來說幾乎是不可能的，增材制造技術(shù)（3D打印）是保證衍生設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。此案例中，“仿生隔板”是通過自定義的算法，模仿細(xì)胞結(jié)構(gòu)和骨骼生長(zhǎng)來生成，然后通過3D打印技術(shù)進(jìn)行制造。這種開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)和制造流程制造的隔板比使用傳統(tǒng)流程制造的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更強(qiáng)大和更輕。

圖：仿生隔板：3D打印飛機(jī)座艙部件

在航空飛行中，減少重量意味著減少燃料的使用。采用結(jié)構(gòu)更強(qiáng)大但重量更輕的晶格結(jié)構(gòu)，空中客車公司的新“仿生隔板”比當(dāng)前的設(shè)計(jì)重量降低45%（30公斤)，據(jù)Airbus估計(jì)，如果將同樣的技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)客艙和所有預(yù)訂生產(chǎn)的A320飛機(jī)，每年可減少465000噸的CO2排放量----相當(dāng)于96000輛汽車從路上消失。

一輛超輕的電動(dòng)摩托車

空中客車集團(tuán)APWorks GmbH發(fā)布了世界上第一輛3D打印摩托車Light Rider，這款3D摩托車最大的特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)，其車身總重量?jī)H為35公斤，比普通的電動(dòng)摩托車輕30%。而空客集團(tuán)能取得這樣的突破，與其綜合應(yīng)用兩大技術(shù)有重大關(guān)系，一是采用了由3D打印技術(shù)制成的超強(qiáng)且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy；二是通過創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)，將框架設(shè)計(jì)成仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了材料的最佳分布。

如Light Rider的車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先是要指定一些設(shè)計(jì)參數(shù)作為邊界條件，在需要優(yōu)化區(qū)域定義一個(gè)大的設(shè)計(jì)空間，這個(gè)設(shè)計(jì)空間與摩托車車架的外尺寸相對(duì)應(yīng)，有了這些定義，軟件就知道載荷被引入的位置和各零部件之間的關(guān)系。

通過仿真計(jì)算，該軟件可以確定最佳的傳力路徑，并為工程師提供詳細(xì)的必要的材料布局。在這種優(yōu)化運(yùn)算中，需要考慮摩托車車架上多種不同的載荷工況，如各種源于數(shù)據(jù)表（如正常的輪胎上的力、摩擦等）載荷；摩托車不同點(diǎn)的受力情況，例如把手或腳踏板上受拉或受壓等載荷。

在創(chuàng)建設(shè)計(jì)空間時(shí)，摩托車的所有裝配關(guān)系也必須考慮在內(nèi)，這些被定義為特定的邊界條件，如必要的鉆孔位置和安裝點(diǎn)，即使在初始的規(guī)劃階段，工程師們必須確定所有的螺栓連接關(guān)系，不能遺漏任何細(xì)節(jié)，以創(chuàng)建一個(gè)完整的裝配產(chǎn)品。

圖：最大的設(shè)計(jì)空間 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果 基于優(yōu)化結(jié)果的重新設(shè)計(jì)

Light Rider樣機(jī)展示了利用拓?fù)鋬?yōu)化、新材料、增材制造以及仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程的益處，即整體減重和提升性能的潛力。這些數(shù)字很好表達(dá)了這一能力：摩托車總重量為35公斤，車架的重量只有6公斤，這輛4千瓦的電動(dòng)車從0加速到45公里/小時(shí)，只需3秒鐘。

圖：Lightrider電動(dòng)摩托車

一座具有驚人美學(xué)的橋梁

來自荷蘭設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)工作室MX3D，采用3D打印技術(shù)打印了一座阿姆斯特丹市中心的一座橋基于Joris Laarman的創(chuàng)新的懸浮式金屬3D打印系統(tǒng)，采用了6軸機(jī)器人手臂，材料采用了由代爾夫特大學(xué)開發(fā)的鋼復(fù)合材料。鑒于材料和自由的機(jī)器人手臂，該系統(tǒng)非常適合于大型基礎(chǔ)設(shè)施的項(xiàng)目。

該大橋預(yù)計(jì)將于2017年底完工。完工的橋長(zhǎng)24英尺，允許正常的阿姆斯特丹步行交通。和手工制造的大多數(shù)橋梁相比，3D打印的橋梁具有美麗、復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且具有更多的細(xì)節(jié)。和機(jī)械制造的橋梁相比，由于3D打印技術(shù)允許控制細(xì)節(jié)的顆粒度，因此，橋梁可以設(shè)計(jì)得更加華麗，而且?guī)缀醵ㄖ频耐庥^，這是機(jī)械制造的橋梁所無法做到的。

圖：阿姆斯特丹市中心的一座橋，榮獲“委員會(huì)特別獎(jiǎng)”

ROBOT BIKE山地自行車

ROBOT BIKE COMPANY（RBC）是一家位于英國的新興公司，由一群航天工程師及山地車愛好者組成。公司創(chuàng)建之初，創(chuàng)始人就認(rèn)識(shí)到碳纖維對(duì)接增材制造的巨大潛力，他們要探尋最棒的自行車架。盡管RBC團(tuán)隊(duì)在增材制造技術(shù)以及航空產(chǎn)品與系統(tǒng)研發(fā)方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，但要實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)仍然需要與多方團(tuán)隊(duì)進(jìn)行接洽。他們接觸的團(tuán)隊(duì)包括：HiETA技術(shù)，在增材制造方面擁有設(shè)計(jì)和工程解決方案；Renishaw，全球領(lǐng)先的增材制造生產(chǎn)商；以及Altair產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，提供拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，保證將增材制造的靈活性優(yōu)勢(shì)全面發(fā)揮出來。通力協(xié)作后，共同推出全新R160山地自行車車架——該款車架運(yùn)用了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)）和金屬增材制造技術(shù)，并在英國完成設(shè)計(jì)加工。

圖：ROBOT BIKE山地自行車及車架

圖：在solidThinking Inspire中定義設(shè)計(jì)空間獲得拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖：原始部件與新部件設(shè)計(jì)對(duì)比 新部件渲染效果

一雙能力訓(xùn)練鞋

運(yùn)動(dòng)服裝制造業(yè)—安德瑪（Under Armour)與歐特克公司協(xié)作衍生地設(shè)計(jì)和3D打印一種新的能力訓(xùn)練鞋：UA Architech。Autodesk的Within被用于設(shè)計(jì)鞋底夾層的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種衍生設(shè)計(jì)不僅具有穩(wěn)定的腳跟支撐結(jié)構(gòu)，而且具有合適的力量訓(xùn)練緩沖。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是未來智造的核心技術(shù)，也是一種開拓性技術(shù)。它是基于所想要達(dá)到的要求，如耐久性，柔韌性和重量，由計(jì)算機(jī)算法來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。它能夠產(chǎn)生復(fù)雜的、高性能的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是無法依靠設(shè)計(jì)者的想象能夠?qū)崿F(xiàn)。在UA Architech鞋的開發(fā)中，也需要用3D打印來制造。

圖：新的能力訓(xùn)練鞋

有史以來最長(zhǎng)的航天部件

RUAG Space是歐洲航空航天行業(yè)的領(lǐng)先設(shè)備供應(yīng)商，利用先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化了有史以來最長(zhǎng)的工業(yè)級(jí)3D打印航天部件之一。借助優(yōu)化方法，制造商可確定哪些材料在結(jié)構(gòu)中是必不可少的，而哪些材料在移除后不會(huì)對(duì)性能造成負(fù)面影響，并就此來減輕重量。通過優(yōu)化過程可確定理想的材料布局，而通過增材制造技術(shù)則可構(gòu)造出更接近這一理想設(shè)計(jì)的形狀。

圖：天線支架的最終設(shè)計(jì) 天線支架的設(shè)計(jì)流程

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和增材制造的巧妙結(jié)合使輕量化設(shè)計(jì)上升到一個(gè)全新的高度，這種制造流程能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)高效的部件。最終設(shè)計(jì)非常接近于優(yōu)化結(jié)果給出的理想設(shè)計(jì)方案。剛度更高、質(zhì)量更輕的部件極大程度地幫助減少了發(fā)射航天器和衛(wèi)星的成本。

總之，隨著增材制造技術(shù)的日益成熟，個(gè)性化、輕量化設(shè)計(jì)將越來越受到設(shè)計(jì)師的青睞，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與增材制造的融合技術(shù)正在幫助各行業(yè)的設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)更多的突破。