创成式设计是通过编写算法和程序来设计的过程,是一个人机交互、自我创新的过程,具体来说由设计师选择生成模型的策略、编写算法,以人机交互的参数化建模,根据客观的设计目标,结合仿真、优化方法,直到获得最优化的设计。安世亚太提出基于增材思维的先进设计与人机一体化智能系统解决方案,利用创成式设计、拓扑优化、点阵结构设计等方法,获得了很多先进设计经验。
创成式设计能够创造出手动建模所不易获得的设计的具体方案,它们拥有复杂几何结构,而增材制造技术在工业制造中的应用优势之一是制造复杂的结构,可以说创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”,创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。本案例,就以安世亚太利用创成式设计与增材制造结合,设计汽车轮毂的案例,体现了先进设计与增材制造技术的魅力。
在过去的100年里发展起来的大规模生产满足了大众的各种基本需求。以汽车为例,大规模生产使得家家户户都能够买得起车,汽车作为交通工具的基本功能得以实现。但是,除此之外,人们其实还有更高级的需求,如:对美的追求,希望与众不同,彰显个性。但在大规模生产条件下,这些需求被大大地压缩,人们只能从有限的选项(如:几种颜色、几种材质、几款样式等)中去选择,满足个性化需求,对于大众来说,几乎是不可能的。基于传统制造工艺和传统设计方法的个性化定制就是“昂贵”的代名词,它意味着要有设计师专门进行个性化设计,制造商要进行单件制造,而单件制造的费用可能与100件甚至1000件一样,设计师的的设计费用更是可能高至天价。
现在,随着增材制造技术和工艺的日益成熟,增材制造生产1000件不同的产品和生产1000件相同的产品,成本几乎不会增加,这为大规模个性化定制的实现提供了必要条件。但还不够,还缺乏一个充分条件——廉价高效的个性化设计 。传统的基于设计师手绘式设计+手工CAD建模的设计方式设计的是单一模型,有多少个性化需求,设计师就得做多少个设计,这无论从设计师数量还是设计灵感上都是无法达到的。而创成式设计正是这种廉价高效的个性化设计的方法,它不再依赖手工建模创建单一模型,而是基于规则编写算法生成模型,一套规则可以生成无数种模型。设计师的任务已经变为创建规则,编写设计程序了,生成模型的任务交给计算机自动完成。最终的个性化模型是由一组合适个性化的参数或条件来确定的。有了创成式设计加上增材制造工艺,就已经具备了大规模个性化定制的充要条件。
安世亚太公司先进设计与制造专家,通过汽车轮毂的创成式和增材制造实现大规模个性化定制。汽车轮毂是最体现汽车个性化的部件之一,对轮毂的需求既有美观,又有性能、轻量化、节能等每个方面。许多爱车的朋友购车后都会进行轮毂改装,在改进性能的同时,彰显自己的与众不同。轮毂设计既有需要标准化的部分,也有可发挥创造力的造型设计,但是无论造型如何变化,满足力学性能的设计目标不能变。
首先,标准化的轮辋部分,能够最终靠参照标准中提供的几何关系建立编程规则,通过编程实现轮辋的参数化建模。
再来看轮辐的创成式设计,我们大家可以通过定义几何关系来确定模型生成规则。如果我定义一种这样的几何关系:轮辐为成组的分支结构,分支节点位于一系列同心圆上,层间可以扭转,分组数、分支层数、扭转角、同心圆半径分别为在一定范围内可变的参数。那么当我们改变任意参数的时候,就会生成不同的结果。假设分组数可取10个数值、分层数可取4个数值、扭转角可取20个数值、同心圆半径组合可取50种,扭转范围可取10种组合的话,那么生成的结果将会有400,000种。这里我们仅展示其中的几十种。这里描述的规则示例,只是一类规则,我们还可以创建其他形式的规则,以生成不同于分支结构的风格样式。
创成式设计非常灵活,根据轻量化目标,可以加入镂空的结构元素。这些镂空元素也是随着轮辐形式以及轮毂规格的变化,按照规则自动生成的。
创成设计过程关注的是需求、功能、性能等需求,得到的结果无论多么复杂,都能够最终靠增材制造制造出来,并且没有增加成本。按照每个用户的喜好,每一款轮毂的样式都可以不同,无论小批量定制,还是大规模定制化,都不增加成本,这是增材制造的最大优势之一。
安世亚太认为,未来的个性化创成式设计可以是用户参与的。设计师设计的不同类别风格的程序打包后发到网络上,开放一些参数给用户,由用户自主调节,即用户参与的创成式设计,随着用户改变参数,结果千变万化,选定样式、材质等,完成在线定制下单。用一个公式描述就是:创成式设计+增材制造=你参与设计+为你制造= 100%用户满意+ 尊享体验。
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