創成式設計的案例
看創成式設計與3D打印如何釋放創新能力
在3D打印產品的設計領域，創成式設計是一個常被提到的概念。那么，究竟創成式設計與3D打印有著怎樣的結合點呢？ 簡單來說，創成式設計能夠創造出手動建模不易獲得的設計方案，它們擁有不同尋常的復雜幾何結構，而3D打印技術由于可以將復雜的設計轉化為現實，注定已成為創成式設計的“好伙伴”。
接下來，分享幾個創成式設計應用案例與他們對創成式設計的詮釋，從中我們可以進一步了解創成式設計與拓撲優化的區別，以及創成式設計和3D打印為產品設計創新帶來的非凡想象。
實現設計的自我創新
首先來看三個制造業企業通過創成式設計所實現的設計創新案例。
摩托車后懸架部件創新
這是一個通過創成式設計摩托車部件的案例。
以下是創成式軟件給出的摩托車后懸掛架部件的設計方案，以及對部件增材制造和機械加工過程的仿真模擬。
通用汽車為了給電動汽車減重，采用創成式設計軟件重新設計了汽車座椅安全帶支架。由于這個支架是不需要顯露在外部的，因此其外觀并不是優先考慮的因素。在設計這款支架時需要優先考慮的因素是重量，安全性，部件數量的減少，以及可持續性和可制造性。
采用創成式設計方式設計支架時，由工程師定義設計參數，如材料、尺寸、重量、強度、制造方法和成本約束，然后基于算法輸出符合這些標準的多個設計選項。在這個案例中，軟件產生了超過150種有效的設計選項。設計師和工程師可以檢查每個選項并選擇最符合其規定要求的設計。最終，新支架比原來的部件輕40％，強20％，并將八個不同的部件整合到一個3D打印部件中。
自動生成模塊化機艙隔板
空中客車公司使用創成式設計來探索飛機艙隔板的創新設計。
展開 創成式設計綜述（三）之典型案例
創成式設計（Generative Design）是通過編寫算法和程序來設計的過程，是一個人機交互、自我創新的過程，具體來說由設計師選擇生成模型的策略、編寫算法，以人機交互的參數化建模，根據客觀的設計目標，結合仿真、優化方法，直到獲得最優化的設計。
創成式設計能夠創造出手動建模所不易獲得的設計方案，它們擁有復雜幾何結構，而增材制造技術在工業制造中的應用優勢之一是制造復雜的結構，可以說創成式設計與增材制造技術是天生的“好伙伴”，創成式設計將進一步釋放增材制造的應用潛能。
前兩期文章，我們介紹了創成式設計的起源與概念，創成式設計的方法流程，以及軟件特征和實現方法。本期增材專欄，將通過創成式設計綜述（三）之典型案例的分享，來展現創成式設計與增材制造結合的獨特魅力。
創成式設計+ 增材制造的輪轂定制
在過去的100年里發展起來的大規模生產滿足了大眾的各種基本需求。以汽車為例，大規模生產使得家家戶戶都能夠買得起車，汽車作為交通工具的基本功能得以實現。但是，除此之外，人們其實還有更高級的需求，如：對美的追求，希望與眾不同，彰顯個性。但在大規模生產條件下，這些需求被大大地壓縮，人們只能從有限的選項（如：幾種顏色、幾種材質、幾款樣式等）中去選擇，滿足個性化需求，對于大眾來說，幾乎是不可能的。基于傳統制造工藝和傳統設計方法的個性化定制就是“昂貴”的代名詞，它意味著要有設計師專門進行個性化設計，制造商要進行單件制造，而單件制造的費用可能與100件甚至1000件一樣，設計師的的設計費用更是可能高至天價。
現在，隨著增材制造技術和工藝的日益成熟，增材制造生產1000件不同的產品和生產1000件相同的產品，成本幾乎不會增加，這為大規模個性化定制的實現提供了必要條件。但還不夠，還缺乏一個充分條件——廉價高效的個性化設計 。
展開 重新定義制造，賦予零件“生命力”，創成式設計的八大價值
增材制造提供了更高的設計自由以從更深的層次上變革和重新定義制造，而創成式軟件正在搭載增材制造這項制造技術以構建面向未來的設計。本期，透過歐特克總結的創成式設計的八大價值，3D科學谷與谷友來進一步領略創成式如何汲取自然界的靈感，從而賦予零件“生命力”，進一步重新定義制造。
▲ 創成式設計的座椅
? Autodesk
....
設計重新定義制造
創成式帶來的新世界
仿生學不是復制自然形狀，而是復制自然解決問題的方法。仿生學和創成式設計之間的真正聯系是一些軟件如何利用自然界中發現的邏輯來獲得其中算法的奧秘。Autodesk Fusion 360內置的 Project Dreamcatcher是目前創成式設計軟件的一個典型代表。
▲ 創成式設計優化航空航天零件
? Autodesk
在 Autodesk Fusion 360 的案例中，創成式設計的想法受到仿生學中自下而上的方法的啟發。令人著迷的是，有一個算法來自“白蟻巢穴，以及白蟻使用信息素相互發送信號的方式，開發人員創造了壓力或信息素梯度，核心方法非常簡單，但結果卻很復雜。
有了這種受自然啟發的邏輯作為其創成算法的核心，創成設計程序必然會不時創成有機形狀，以不對稱和復雜的表面為標志。但目前的制造方法無法與大自然所創造的奇跡相媲美，這使得創成式設計軟件本身還有著很多進化的空間。
▲ 創成式設計
? 3D科學谷白皮書
譬如大自然中的人體，人體是單一的組件來促進流體流動和交互結果，而這在航空航天領域也有類似的活動。
展開 洞見 | 創成式設計：一種新的設計方式
創成式設計是一種使用機器學習為零件和裝配模型創建計算機輔助設計 (CAD) 幾何圖形的自動化方法。用戶不是使用基于特征或直接建模方法定義形狀，而是指定設計空間，包括要保留或排除的區域、操作環境條件、材料和制造約束，通過算法計算一個或多個潛在的解決方案。然后，用戶可以過濾結果以選擇合適的選擇。生成式設計比傳統的迭代人工驅動方法更快，并且在許多方面更可靠。
是什么讓創成式設計變得更好？
創成式設計和密切相關的拓撲優化工具可用于Creo中的多個版本。讓我們看一下使創成式設計與傳統CAD工作流程不同且更好的四個方面。
您正在將要求構建到設計中。所有產品都從需求開始。頂層需求被分解為子系統需求，然后被提煉成組件需求。盡管我們可能知道零件或子組件的結構要求，但在過去，這些要求直到設計完成后才得到驗證。通過創成式設計，我們通過將載荷工況應用于我們的模型來設置我們的設計。這可確保解決方案從一開始就滿足標準。
制造方法告知設計。典型的工作流程中，使用仿真和分析工具設計和驗證零件，然后將其交給工藝工程師，以評估是否可以使用減材制造或增材制造來制造零件。通過創成式設計，我們將制造標準添加到優化研究中。這些包括：
將要進行3D打印的零件的構建方向
注塑件的2D或3D分型線
將被銑削的零件的線性拉伸
這確保了可以使用適當的方法制造解決方案。
您可以快速生成多個概念。產品開發總是受到進度的限制。產品永遠無法以足夠快的速度進入市場。通常在初始設計階段，會創建一些潛在的概念。在機器學習的幫助下，可以在比人類創建單個概念更短的時間內生成多個概念。
用戶可以修改生成的模型。由創成式設計創建的零件模型會產生B-rep（邊界表示）幾何。
展開 
Creo 7.0創成式設計，大猜想？
創成式設計吸引了PTC龐大的客戶群，因為他們尋求優化新產品的方法，以提高可制造性，降低材料成本并縮短制造周期時間；創建針對增材制造優化的復雜幾何形狀；并更快地提供更好的產品。
拓撲優化與創成式設計有何不同（有何相似之處）？
拓撲優化和創成式設計已成為制造業和工程界的流行語，但市場上存在一種常見的誤解，即兩者是同一種技術。由于這些術語經常互換使用，這可能會造成混淆和模棱兩可的情況。
拓撲優化是建立創成式設計的基礎技術 - 這種技術已經存在了幾十年。它基于諸如約束和負載之類的功能目標，融合到單一解決方案上。基于這些相同的原則，創成式設計考慮了許多可能的解決方案，以根據設計要求（包括功能和非工程要求）獲得最佳解決方案。
創成式設計利用拓撲優化來探索解決方案的所有可能的排列，不斷迭代并從過程中學習。這是下一代CAD設計的一種方式 - 它正在改變工程師對設計的思考方式。
AI如何影響創成式設計？
AI是利用技術和數學來創建感知，學習和行動的系統，以增強或取代人類能力 - 增強推理。人工智能的概念化對于理解PTC的創成式產品設計至關重要。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
來源：e-works
創成式設計（Generative Design，GD）是一個人機交互、自我創新的過程。根據輸入者的設計意圖，通過“創成式”系統，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）是設計師的福音，可以將復雜的設計變為現實，已成為創成式設計的“好搭檔”。創成式設計與增材制造的發展正在改變著設計制造的模式。
GD+AM，顛覆傳統
01
創成式設計，突破設計極限
創成式設計（Generative Design，GD）是CAD\CAE\OPT技術的融合。
展開 DfAM | 電池冷板的創成式設計
圖6創成式冷板設計
圖7創成式冷板仿真結果
（上圖是電池上的溫度，下圖是冷板內冷卻劑的速度）
創成式設計冷板的仿真結果如圖7所示，電池上溫度分布均勻，冷區較少，同樣識別出流場中的不均勻流動區域。
討論
電池的溫度分布是決定冷板設計的一個重要變量。圖8所示的圖表顯示了電池和入口的溫差，?T□(=)T_(battery-) 〖-T〗_inlet。與其他設計相比，開放式凹陷設計冷板的溫差略高，峰值溫度為12.26℃。S型設計為10.7℃，精細凹陷設計為10.56℃創成式設計為10.94℃。這兩種凹陷設計也導致了電池上的溫度分布范圍較大。
圖8電池與進口溫差的最大值、平均值和最小值
圖9顯示了一個頻率圖，展示了冷板上溫度分布的概況。該圖幫助我們直觀地看到之前關于兩個凹陷設計的結論，溫度范圍約為10℃。作為設計標準之一（ΔT = 5°C），創成式設計保持仿真開始時設定的溫度變化標準。
圖9每種設計在電池上的溫度分布
s型設計滿足溫度的目標性能要求，但是壓降為23.5kPa，是目標壓降5.5kPa的4倍。只有開放式凹陷設計和創成式設計的壓降在約束范圍內。
圖10每種設計的壓降
表1總結了每種設計的結果，包含溫度的峰值、均勻性、通道內的壓降以及該冷板是否可制造。無論是峰值溫度，溫度均勻性，還是壓降，傳統的設計可以根據需要優化改進。但是，每個傳統設計不像創成式設計那樣能夠同時滿足所有約束。通過對結果的概述，很明顯創成式設計的冷板具有極限的性能。
展開 科技前線 | 通過創成式設計保持競爭力
這就是最新的創成式設計工具可以發揮作用的地方。利用這些工具中的人工智能(AI)，年輕的工程師可以進一步參與更大的項目，并通過指定需求和使用創成式設計來產生一系列產品。在幾分鐘內，創成式設計引擎就可以迭代出數十個設計選項，直到在設計約束條件下獲得更佳的幾何形狀，而傳統設計流程中，這一過程可能需要數天或數周時間。這種生產率的提高為其他關鍵任務留出了寶貴的預檢時間。
創成式設計如何發揮作用?
根據字面意義，創成式設計是一個可以自主產生一套設計方案的過程，工程師可以對這些方案進行探索和改進，以找到滿足要求的優秀設計。
這里有一個簡單的示例。假設您的公司能夠通過銑削、鑄造或增材制造來生產某個部件。對于您正在設計的零件，哪種工藝和材料是更好的?為了找到更好的解決方案，您可以使用創成式設計來顯示每種制造方法可能帶來的變化，最后，您可以選擇更適合您需求的設計。（注：雖然創成式設計經常與增材制造聯系在一起，但它并不僅限于此。在Creo中，您會發現您即可以使用減材制造也可以使用增材制造。）
創成式設計使用了一系列技術，其中包括拓撲優化和仿真。所有這些技術一起發揮作用，但仍受工程師控制。僅通過一個交互過程，工程師們就可以指定負載、約束、材料和制造過程。
在Creo中，您還可以從創成式拓撲優化(GTO)和創成式設計擴展(GDX)中獲得好處。充分利用這些技術，由人工智能驅動的這些創成式設計工具可以幫助您交付更有創新性、更加差異化的產品，減少上市時間，并降低整體產品成本。
來源于：PTC官方
展開 DfAM專欄 | 創成式設計小案例——奧運領獎臺設計
基礎晶格支撐/25*25單面晶格填充效果
下一步，我們以2022北京冬奧會標志元素為輸入，利用創成式設計方法提取標志的圖形信息來對立方體外立面的晶格增加的縱向支撐進行干擾生成圖像。
輸入圖片信息通過創成式程序對晶格干擾呈現圖案
這樣我們就得到了一個擁有奧運元素，可以直接進行3D打印無需組裝的奧運基本單元，在對外立面干擾支撐呈現不同形態后的整體材料填充率不大于30%。
創成式設計只能做到這些么？當然不是，發揮我們想象力創成式設計還能有更多可能。在上文構建的領獎臺單元基礎上我們構想結合硬件電路控制讓立方體的左右兩面充分利用起來成為LED點來實現更多的動態變化。
點陣原理介紹
在了解LED點陣的控制電路的基本原理后，我們需要解決的第一個問題就是如何定義點陣的坐標位置，以便后期分別給與對應LED顏色信息。
點陣原理
我們想到在預設外立面每個晶胞單元內設置一個LED,這樣位置信息就能夠跟我們通過創成式設計晶格位置坐標關聯起來，構建25*25 LED點陣通過提取晶格行列坐標信息單獨給與每個LED輸入亮暗色彩等信息。
接下來，我們以亮燈呈現國旗為例，將預設任意國家國旗圖片利用創成式設計來提取相應坐標色值信息作為給與LED亮燈色彩信息，實現讓點陣呈現相應色彩圖案。
創成式程序實現圖片提取色值信息并顯示
控制原理層面實現僅僅是一方面，我們還要考慮增材制造環節如何構建電路實現LED安裝，在前文LED原理中我們可以知道驅動LED需要一個簡單雙層板電路板。
展開 DfAM專欄 | 定制輪轂中的創成式設計
鍛造輪轂胚體
胚體鍛造過程
下一步就可以在安裝面增加螺栓孔節圓直徑PCD、安裝盤直徑，中心孔直徑、螺栓規格等選項完善安裝盤選型部分創成式程序設計。
安裝規格信息輸入
接下來就是輪輻部分設計，圍繞輪輻輻條大小、形狀、個數加入控制元素可以更改基本輻條造型，添加單支輻條不同特征就能得到一些相對常規輪輻樣式。
輪輻輻條的變化
輪輻添加變化元素衍生出的可加工樣式
通過創成式設計生成的常規輻條樣式輪轂模型，可以運用常規鑄造、鍛造的形式完成定制輪轂的落地生產。但是實際產品化常規輪轂設計中是有固定數據包約束，包含工藝要求，倒角、間隙、厚度、強度、法規等諸多限制條件來保證輪轂產品安全可靠性能，加上常規生產工藝限制。其實普通定制輪轂能夠落地樣式并不多。但是通過創成式設計更改參數得到輪輻造型相對千變萬化，想要完成一款獨一無二定制輪轂產品落地，我們就需要進行更多的嘗試。
創成式設計產生千變萬化輪輻樣式不同輪輻樣式的整體輪轂造型
在創成式設計產生的萬千變化中，我們挑選適合造型完善模型。用仿真驗證，模擬實際使用中不同工況進行仿真驗證。
部分工況條件設置
部分仿真驗證結果展示
通過不同工況下仿真驗證的結果，對創成式設計產出的不同造型方案進行篩選。
展開 行業洞見 | 創成式設計軟件如何賦予工程師超能力？
在工業領域中，工程師們正熱切期盼著創成式設計軟件的“超能力”，以提高其產品設計的強度，耐用性和優越性。創成式軟件使工程師能夠在設計周期的早期做出更明智的決策，從而使他們能夠更快地創建高度優化的設計和創新產品。
但是，創成式設計軟件是如何賦予工程師超能力的呢？方法就在于：
01、它可以突破一切障礙：
創成不僅僅是設計方面的創新，而是對產品設計的徹底顛覆。通過創成，設計人員或工程師將功能要求（物理尺寸，材料，強度，重量，傳熱，流體動力學等）輸入到創成式設計軟件中；然后，創成引擎會尋找解決方案的所有可能組合，快速生成數百甚至數千個設計選項。這時，設計人員或工程師就可以對結果進行過濾，以根據功能和非工程要求（成本要求，材料的可用性，運輸，供應情況等）選擇最佳的解決方案集。
從這個意義上講，創成式設計正在推動下一代CAD和工業產品設計革命的到來。因為這些無盡的可能性，設計工程師的角色將有可能從根本上向更高級別的產品設計進行轉變。
現在，已經有工程師在利用創成式設計軟件來探索以前從未涉及過的設計方案。創成使他們能夠決定產品設計的未來面貌。例如， GE支架通過重新設計，比原始設計重量減輕了75％，同時進行了優化以保持材料的屈服應力。
展開 
DfAM專欄 | 創成式設計在產品設計中的應用
創成式設計是一個人機交互、自我創新的過程。根據輸入者的設計意圖，生成潛在的可行性設計方案，設計者對方案經過綜合對比進行篩選，做出最后的決策。
創成式設計能夠創造出手動建模不易獲得的設計方案，幫助工程師更好的設計產品以滿足用戶多種多樣的需求。創成式設計應用的領域很廣，本文將介紹在產品設計中創成式設計的應用，并展示產品設計中概念設計至最終方案形成的過程。
隨著信息技術的飛速發展，人們對于文化的需求也呈現多元化的發展趨勢，在信息時代及多元文化背景的熏陶下，LOGO設計也必然以一種新的形勢展現在大眾面前，展會展館作為公共場所設施，已經成為眾多文化及商業活動舉辦的主要聚集地，其整體的輻射力和公眾關注度得到廣泛的提升。其中LOGO設計作為企業形象展示的視覺形象核心，成為展示效果中重要組成部分。
LOGO作為一個簡單的符號，是企業綜合信息傳遞的媒介，LOGO對于一個企業是非常重要的，一個形象鮮明、容易識別的好的LOGO，其價值是巨大的，不但方便推廣，更有助于累積提升品牌價值。
關于LOGO應
該具備哪些特點
首先是它的
識別性
，LOGO需具備特點鮮明，容易辨認和記憶的特點；
其次是它的
區別性
，和同行能夠明顯的區分開來；
再次是其
象征性
，能表現企業的無形資產，當人們看到LOGO時，能通過LOGO聯想到企業所能提供的高品質產品和服務；
同時LOGO需具備
革新性
，需隨著時代不斷演變。
展開 行業洞見 | 創成式設計軟件如何賦予工程師超能力？
在工業領域中，工程師們正熱切期盼著創成式設計軟件的“超能力”，以提高其產品設計的強度，耐用性和優越性。創成式軟件使工程師能夠在設計周期的早期做出更明智的決策，從而使他們能夠更快地創建高度優化的設計和創新產品。
但是，創成式設計軟件是如何賦予工程師超能力的呢？方法就在于：
1、它可以突破一切障礙：
創成不僅僅是設計方面的創新，而是對產品設計的徹底顛覆。通過創成，設計人員或工程師將功能要求（物理尺寸，材料，強度，重量，傳熱，流體動力學等）輸入到創成式設計軟件中；然后，創成引擎會尋找解決方案的所有可能組合，快速生成數百甚至數千個設計選項。這時，設計人員或工程師就可以對結果進行過濾，以根據功能和非工程要求（成本要求，材料的可用性，運輸，供應情況等）選擇最佳的解決方案集。
從這個意義上講，創成式設計正在推動下一代CAD和工業產品設計革命的到來。因為這些無盡的可能性，設計工程師的角色將有可能從根本上向更高級別的產品設計進行轉變。
現在，已經有工程師在利用創成式設計軟件來探索以前從未涉及過的設計方案。創成使他們能夠決定產品設計的未來面貌。例如， GE支架通過重新設計，比原始設計重量減輕了75％，同時進行了優化以保持材料的屈服應力。
展開 科技前線 | 新想法：固定裝置的創成式設計
在Creo加工擴展中，例如High Speed Milling Plus，您可以使用創成式設計的零件作為參考模型來定義精確的銑削操作。
一旦定義了銑削操作，您就可以驗證材料去除情況，因為整個過程中設定了驗證步驟。
探索創成式設計
這些只是我們完成固定裝置設計挑戰的兩個解決方案。但是您可以選擇任意數量的材料和制造方法。
更重要的是，您可以像往常一樣將任何其他Creo工具應用于您的模型。無論您的限制如何，創成式設計都會幫您找到合適的解決方案。
來源于：PTC官方
電子設備兩相冷卻創成式設計的突破性進展
02創成式設計
創成式設計是一個自動化的設計過程，只需要少量的用戶輸入和互動，就能實現高性能設計。創成式設計技術通過在不同的解決方案之間進行迭代，來探索設計空間，并在每個迭代步驟中提取相關信息，收斂出一個最佳設計。算法通過一組用戶輸入條件（如設計空間、目標、約束條件等），尋找出不同的解決方法，并進行評估，根據評估結果來生成可能更好的解決方案，反復進行迭代，直至找到最佳方案。通過先進的數值模擬來評估每個可能的解決方案，優化算法則可變得完全自主，從而將設計周期中的人機互動降低。在設計過程的每一迭代步中將會生成新的解決方案，一些解決方案可能來源于之前的計算出的結果。由于用戶與設計過程的互動有限，可避免設計中的人為因素影響，從而允許對設計空間進行真正完整的探索，達到全局最優解。
拓撲優化是一種目前十分流行的創成式設計策略，該優化方法通過優化設計空間中的材料分布來進行的。從廣義上講，一部分冷卻空間將被轉化成為一種新材料。拓撲優化主要優點是不依賴于原始設計，因此設計空間可以自由探索。在這項工作中，HEM兩相模型與專有的拓撲優化軟件[2]結合使用，可設計成一個高性能的兩相冷卻裝置。該設計過程不僅運用了基于梯度的優化算法，同時也考慮了制造工藝限制，比如最小特征尺寸和3D打印工藝。
03案例研究
為了驗證所提出設計方法的可行性，本文進行了一個案例研究。基礎幾何模型如圖 1所示。
圖 1：設計優化研究的基礎模型
該模型為簡化的兩相冷卻散熱器，稱為蒸發器，類似用于主動冷卻的通信衛星。研究目標是在壓降約束和3D打印約束下，使熱源位置上的溫度最小化。
展開 