基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計(jì) 課件06創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件工具的使用

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件工具

目錄新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景第1課授課教師：

新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維

新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維相較傳統(tǒng)制造模式，增材制造最突出的優(yōu)點(diǎn)是快速、簡便、易行——其縮短了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的流程，提升了制造彈性，能夠精準(zhǔn)的滿足用戶需求，可以服務(wù)于單件小批制造模式。這些優(yōu)勢使增材制造成為了與傳統(tǒng)減材制造并駕齊驅(qū)的生產(chǎn)技術(shù)，并逐漸對產(chǎn)品研發(fā)模式產(chǎn)生影響?！霸霾闹圃旒夹g(shù)是引領(lǐng)未來制造業(yè)趨勢的眾多突破之一，將成為第三次工業(yè)革命到來的標(biāo)志”——2012年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道

設(shè)計(jì)和工藝的最佳融合誕生了增材制造技術(shù)，它對于傳統(tǒng)減材制造的設(shè)計(jì)理念是顛覆的。隨著增材制造研究的飛速發(fā)展，以及其在應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)減材制造的設(shè)計(jì)模式已嚴(yán)重制約了增材制造的優(yōu)勢，因此其對專業(yè)設(shè)計(jì)的需求也極其迫切。近年來，國內(nèi)外研究人員不斷根據(jù)增材制造的成型特點(diǎn)，積極拓展設(shè)計(jì)思路，逐步完善了全新的服務(wù)于增材制造的設(shè)計(jì)理念。新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高，消費(fèi)需求逐漸呈現(xiàn)出差異化、多樣化、個(gè)性化、情緒化等特征，究其原因，是因?yàn)槲镔|(zhì)上的富足使人們更加注重自我的情感需求。個(gè)性化鮮明的產(chǎn)品，能夠突顯情趣化、概念化、差異化的特征，恰恰滿足了消費(fèi)者求新、求異、追求多層次、高層次的心理欲望，因而倍受青睞。

得益于增材制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的鏈條大大縮短，制造效率迅速提升，在這樣一種背景下，定制化設(shè)計(jì)、用戶參與設(shè)計(jì)等新型設(shè)計(jì)模式逐漸進(jìn)入人們的視野，全民參與設(shè)計(jì)，制造出凝聚自己智慧與勞動(dòng)、傾注了豐富的個(gè)人情感的自己專屬的產(chǎn)品必將成為一種趨勢。新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維第2課授課教師：

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（GD）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程?；谠O(shè)計(jì)師/工程師的設(shè)計(jì)意圖，通過“創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成一系列可行性設(shè)計(jì)方案的三維數(shù)字模型，通過綜合對比，篩選出最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行決策。

目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括RobertMcNeel&Assoc旗下Rhino軟件的Grasshopper模塊，Autodesk的Within、Dreamcatcher，西門子的SolidEdgeST10等。GD將激發(fā)設(shè)計(jì)師獲得更多思維靈感，創(chuàng)造出擁有非同尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作品。增材制造技術(shù)則可以將這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)體，可以預(yù)見，在不久的將來GD與增材制造將會(huì)更好的結(jié)合，推進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念西門子是應(yīng)用GD開發(fā)產(chǎn)品的行業(yè)先鋒之一。他們將拓?fù)鋬?yōu)化引入到SolidEdge3D產(chǎn)品開發(fā)工具包中，設(shè)計(jì)者可定義特定的材料、設(shè)計(jì)空間、允許的載荷和約束及目標(biāo)權(quán)重，該軟件可自動(dòng)計(jì)算幾何解法。這些結(jié)果可以立即在增材制造設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)，或是在SolidEdge中進(jìn)一步優(yōu)化，以用于傳統(tǒng)制造。SolidEdge提出基于生物進(jìn)化與CAD的設(shè)計(jì)結(jié)合，以實(shí)例展示其功能。SolidEdge界面圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念在SolidEdgeST10系統(tǒng)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。SolidEdge模型圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念隨后SolidEdge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，并且在優(yōu)化結(jié)果中還能顯示應(yīng)力的分布情況。SolidEdge的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將CAD設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAE（ComputerAidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）分析無縫集成在一起。SolidEdge模型圖片來源PrototypeToday

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法流程

GD是CAD、CAE、OPT技術(shù)的融合。首先通過CAD工具完成產(chǎn)品初始實(shí)體的建模工作，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)，最后利用CAE工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對比幾種優(yōu)化方案后，選擇最優(yōu)的一種。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)流程圖圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法流程優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)師從眾多設(shè)計(jì)方案中獲得較為完善的最優(yōu)方案，因此在GD中十分重要。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。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，GD方法已經(jīng)被大量運(yùn)用。對于超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的新型結(jié)構(gòu)來說，GD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，GD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。不過，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。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：GD編程環(huán)境

GD可以通過多種語言實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)，其中較為常用的是Processing語言，該語言于2001年由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室提出，主創(chuàng)者為BenFry和CaseyReas，項(xiàng)目發(fā)起的初衷，本是為了滿足他們自身的教學(xué)和學(xué)習(xí)需要。后來，當(dāng)Casey在意大利的伊夫雷亞交互設(shè)計(jì)學(xué)院（InteractionDesignInstituteIvrea）進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候，基于Processing，衍生出了Wiring和Arduino項(xiàng)目。Processing完成的平面作品圖片來源網(wǎng)絡(luò)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：GD編程環(huán)境

Processing項(xiàng)目是Java語言開發(fā)的，所以Processing天生就具有跨平臺(tái)的特點(diǎn)，同時(shí)支持Linux、Windows以及MacOSX三大平臺(tái)，并且支持將圖像導(dǎo)出成各種格式。對于動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序，甚至可以將Processing應(yīng)用程序作為Java?applet導(dǎo)出以用在Web環(huán)境內(nèi)。Processing免費(fèi)供設(shè)計(jì)愛好者們下載使用，官網(wǎng)：。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）Rhino是1998年美國RobertMcNeel公司推出的一款基于NURBS為主三維建模軟件。NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的縮寫，即非均勻有理B樣條。NURBS是專門做曲面造型的一種設(shè)計(jì)手法，其造型總是由曲線和曲面來定義的，所以要在NURBS表面里生成一條有棱角的邊是很困難的。因此設(shè)計(jì)師可以利用這一特點(diǎn)做出各種復(fù)雜的曲面造型或表現(xiàn)特殊的效果，如特殊的紋理或流線型的跑車等。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）

Grasshopper（簡稱GH）是一款基于Rhino環(huán)境，采用程序算法生成模型的插件，是目前設(shè)計(jì)專業(yè)內(nèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)的入門軟件。與傳統(tǒng)建模工具相比，GH的最大的特點(diǎn)是可以向計(jì)算機(jī)下達(dá)更加高級復(fù)雜的邏輯建模指令，使計(jì)算機(jī)根據(jù)擬定的算法自動(dòng)生成模型結(jié)果。通過編寫建模邏輯算法，機(jī)械性的重復(fù)操作可被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算取代；同時(shí)設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)模型中植入更加豐富的生成邏輯。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件GenerativeComponents（BentleySystems）

GenerativeComponents一是款計(jì)算型建筑設(shè)計(jì)軟件，能快速瀏覽最復(fù)雜建筑的大批“假設(shè)”方案，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多潛在機(jī)會(huì)，有效地創(chuàng)建和管理復(fù)雜的幾何關(guān)系圖。通過自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，能夠加速設(shè)計(jì)迭代，追求形式更自由的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行前所未有的設(shè)計(jì)和探索。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件DynamoforRevit

Dynamo是基于Revit的參數(shù)化設(shè)計(jì)的輔助工具，它可以實(shí)現(xiàn)Revit自身無法實(shí)現(xiàn)的功能，功能極其豐富和強(qiáng)大。同時(shí)Dynamo也是一種編程工具，它的程序非常靈活，可以跨行業(yè)規(guī)程進(jìn)行使用。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件DynamoforRevitDynamo也是一種可視化編程工具，用于定義關(guān)系和創(chuàng)建算法，可以在3D空間中生成幾何圖形和處理數(shù)據(jù)。在使用Dynamo電池的時(shí)候，使用者需要像程序員一樣思考，不僅要熟悉3D模型的構(gòu)建流程，還需要知道各個(gè)電池組件之間的關(guān)系。使用者想要成功地利用Dynamo進(jìn)行參數(shù)化應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于充分掌握Dynamo的工作方式，并且需要在構(gòu)建參數(shù)化前建立一個(gè)清晰的規(guī)劃過程。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件Catia/GenerativeCatia/Generative是法國達(dá)索公司開發(fā)的一種創(chuàng)成式三維建模軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)面向生產(chǎn)加工的復(fù)雜造型構(gòu)建，具有以下基本功能創(chuàng)成式工程繪圖GDR、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)GSD、創(chuàng)成式曲面優(yōu)化GSO、創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析GPS、創(chuàng)成式裝配件結(jié)構(gòu)分析GAS。DigitalProject(DP)參數(shù)化建模軟件，是以Catia為基礎(chǔ)精簡改進(jìn)而成，被去除了大量被認(rèn)為在建筑領(lǐng)域不需要的功能。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件Autodesk/Netfabb

美國歐特克公司在涉足制造業(yè)產(chǎn)品后，先后收購了包括Moldflow、Delcam以及PanComputing在內(nèi)的一系列軟件和制造加工企業(yè)，在整合資源后推出了Autodesk/Netfabb創(chuàng)成式工程軟件。在AutodeskNetfabb的解決方案中，融合了Delcam的機(jī)加工技術(shù)和PanComputing用于增材制造的模擬仿真軟件，是目前行業(yè)中真正具備生產(chǎn)實(shí)踐能力的軟件系統(tǒng)之一。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件SolidEdgeST10SolidEdgeST10是一款由西門子公司發(fā)布的功能強(qiáng)大、操作友好的全新模型設(shè)計(jì)軟件，SolidEdgeST10采用全新的創(chuàng)成式建模、增材制造和逆向工程功能（所有這些功能均通過Siemens收斂建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)），可以簡化復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造過程。并且以全新的設(shè)計(jì)技術(shù)、增強(qiáng)的流體和熱傳遞分析以及云協(xié)同工具，為設(shè)計(jì)、仿真和協(xié)作提供強(qiáng)大的附屬功能，全面提升產(chǎn)品開發(fā)每個(gè)階段的效率和質(zhì)量。同時(shí)搭配使用拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工具，優(yōu)化產(chǎn)品的重量、強(qiáng)度和材料用量，使設(shè)計(jì)人員能夠大幅提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，顯著增強(qiáng)幾何體處理能力。第4課授課教師：

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

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。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹大型客機(jī)組件

2015年12月，Autodesk公司對外公開了其首次應(yīng)用金屬增材制造方式，為空客A320飛機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目采用GD模式，由空客公司和Autodesk的TheLiving工作室共同開發(fā)，采用了空客子公司APWorks開發(fā)的一種新型超強(qiáng)輕質(zhì)合金材料Scalmalloy（鋁－鎂－鈧合金），通過DMSL技術(shù)制備而成。這種新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由若干個(gè)不同部件組成，采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度更高，并且使整個(gè)增材制造的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)比之前要輕45%（約30kg）?；谠霾闹圃旒夹g(shù)加工的A320客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹大型客機(jī)組件為了創(chuàng)造出盡可能耐用和輕量化的隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)尋求從自然界獲取靈感，基于定制算法模擬細(xì)胞結(jié)構(gòu)和骨骼生長；此外，團(tuán)隊(duì)還通過模擬睡蓮的強(qiáng)結(jié)構(gòu)來探索如何減輕部件質(zhì)量，以及從魚的下顎形態(tài)中尋求靈感來改進(jìn)扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)。目前，該增材制造的仿生隔離結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過了16G過載測試，并且順利成為了A320客機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)組件。A320客機(jī)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹超輕型電動(dòng)摩托車空中客車集團(tuán)APWorksGmbH發(fā)布了世界上第一輛3D打印摩托車LightRider，這款3D摩托車最大的特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)，其車身總重量僅為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。LightRider摩托車

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹超輕型電動(dòng)摩托車

LightRider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。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹有史以來最長的航天部件

RUAGSpace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)化了有史以來最長的工業(yè)級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，再通過增材制造技術(shù)則可構(gòu)造出更接近這一理想設(shè)計(jì)的形狀。RUAGSpace利用增材制造方法生產(chǎn)的航天器部件

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：未來發(fā)展前景融合IoT