基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計(jì)

第一章增材制造技術(shù)引發(fā)的革命第4課授課教師：增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想增材制造作為一種高速發(fā)展的新興生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)在某些領(lǐng)域有所應(yīng)用。但目前該技術(shù)的普及速度十分緩慢，究其原因，一方面是由于相較傳統(tǒng)減材制造技術(shù)，增材制造在成本、加工精度等方面劣勢(shì)明顯；另一方面，現(xiàn)階段絕大多數(shù)設(shè)計(jì)師/工程師所熟悉的生產(chǎn)加工技術(shù)仍是減材或等材制造技術(shù)，他們了解這類傳統(tǒng)技術(shù)所要求的設(shè)計(jì)/研發(fā)規(guī)則，在產(chǎn)品開發(fā)過程中會(huì)根據(jù)這些技術(shù)的特點(diǎn)來調(diào)整研發(fā)方案，多年來形成的規(guī)則已經(jīng)占據(jù)了設(shè)計(jì)師/工程師的大腦，并產(chǎn)生了對(duì)新技術(shù)的抵抗性。普通3D打印機(jī)的精度相對(duì)較低圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想這就意味著，當(dāng)設(shè)計(jì)師/工程師面對(duì)增材制造技術(shù)時(shí)，需要一種與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)思維來幫助他們快速消化吸收并有效應(yīng)用這類新技術(shù)。在這樣一種背景下，為增材制造而設(shè)計(jì)（DfAM）的研發(fā)思想逐漸產(chǎn)生并發(fā)展起來。DfAM設(shè)計(jì)軟件界面圖片來源網(wǎng)絡(luò)

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想為增材制造而設(shè)計(jì)的最常見定義是：基于增材制造技術(shù)的能力，通過形狀、尺寸、層級(jí)結(jié)構(gòu)和材料組成的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)最大限度提高產(chǎn)品性能的方法。DfAM又不僅僅是一種工具，更是一種策略，考慮如何獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀，如何將最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀與最優(yōu)產(chǎn)品性能結(jié)合，如何在設(shè)計(jì)時(shí)將3D打印零件的后處理等工藝對(duì)設(shè)計(jì)的影響考慮進(jìn)來。

DfAM要求設(shè)計(jì)師重點(diǎn)把握以下幾點(diǎn)內(nèi)容：1）理解不同技術(shù)的增材制造加工過程；2）考慮增材制造過程中的支撐結(jié)構(gòu)；3）考慮不同技術(shù)帶來的不同表面質(zhì)量；4）考慮不同的后處理工藝要求。

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想

DfAM模式中最具潛力的設(shè)計(jì)思維即是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（GenerativeDesign,GD）。GD是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整的方式來找到一個(gè)（優(yōu)化）模型。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。簡言之，GD是通過設(shè)計(jì)軟件中的算法自動(dòng)生成產(chǎn)品、建筑、藝術(shù)品模型的設(shè)計(jì)方法，是一種參數(shù)化的建模方式。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中，只需要輸入產(chǎn)品參數(shù)，算法就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。Autodesk公司旗下的GD軟件Fusion360圖片來源Autodesk官網(wǎng)

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想增材制造策略與傳統(tǒng)制造策略在流程、方法上有很大差異，它適合加工表面工藝復(fù)雜，擁有大量有機(jī)形態(tài)、單件小批量制造的產(chǎn)品，因而，增材制造是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的用武之地：1）GD滿足增材制造的設(shè)計(jì)需求；2）GD可以通過計(jì)算機(jī)程序來表達(dá)參數(shù)及其關(guān)系，用復(fù)雜關(guān)系生成數(shù)字幾何，并進(jìn)一步通過AM轉(zhuǎn)化為物理模型；3）GD可以利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)超人類的計(jì)算能力，模仿自然進(jìn)化法則，根據(jù)一些基于模型的功能、性能和約束參數(shù)，通過迭代并調(diào)整來找到一個(gè)（優(yōu)化）模型的設(shè)計(jì)方法；4）GD可通過在約束范圍內(nèi)調(diào)整參數(shù)得到很多意想不到的創(chuàng)新形式，幫助設(shè)計(jì)師探索更廣泛的設(shè)計(jì)空間；5）目前，GD已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)的GD系統(tǒng)通常是通過參數(shù)化建模軟件來定義的，它使用一組參數(shù)來驅(qū)動(dòng)一系列幾何運(yùn)算，從而生成最終形式。

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想然而，目前GD在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域并未獲得廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因之一即是從業(yè)者對(duì)于增材制造技術(shù)所要求的設(shè)計(jì)規(guī)則知之甚少。突破傳統(tǒng)制造思維的限制已經(jīng)成為增材制造與GD能否發(fā)揮潛力所面臨的一大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，人們對(duì)于個(gè)性化、定制化、多樣化的產(chǎn)品已經(jīng)有了極大的需求，標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品在未來市場中將受到冷落。但是，由于為顧客量身定制的產(chǎn)品大多存在成本高昂、設(shè)計(jì)/制造周期較長等問題，因此這類產(chǎn)品主要集中于奢侈品、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等領(lǐng)域，很難大范圍推廣。定制化文創(chuàng)產(chǎn)品圖片來源第十二屆中國藝術(shù)節(jié)演藝及文創(chuàng)產(chǎn)品博覽會(huì)

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想隨著增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，個(gè)性化定制產(chǎn)品將迎來一個(gè)全新的發(fā)展期。技術(shù)成熟的增材制造生產(chǎn)策略將能夠大幅度降低個(gè)性化定制產(chǎn)品的成本，使其最大限度接近批量生產(chǎn)的水平，打破限制個(gè)性化定制產(chǎn)品發(fā)展的最大壁壘。當(dāng)個(gè)性化定制產(chǎn)品獲得普及后，用戶可以通過基于GD構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫選擇產(chǎn)品的基礎(chǔ)樣式，然后商家根據(jù)用戶的需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，當(dāng)用戶確認(rèn)產(chǎn)品方案后，商家以增材制造的方式進(jìn)行生產(chǎn)。定制化工業(yè)產(chǎn)品圖片來源LocalMotors官網(wǎng)

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想增材制造應(yīng)用于個(gè)性化定制產(chǎn)品，其中有一個(gè)核心要素——即3D模型數(shù)據(jù)。不論是用戶挑選商品，還是商家修改設(shè)計(jì)產(chǎn)品，都需要通過3D模型數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。就好比消費(fèi)者在淘寶購物時(shí)，需要瀏覽商品圖片一樣，只不過3D模型所提供的數(shù)據(jù)信息更多、更豐富。GD可以基于已有的規(guī)則，結(jié)合潛在購買者的現(xiàn)實(shí)需求，為用戶提供符合他們偏好的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品方案被存儲(chǔ)在線上數(shù)據(jù)庫中，可供商家和消費(fèi)者自由調(diào)用。增材制造通過與GD的緊密配合，讓定制產(chǎn)品真正實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化。

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想增材制造對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)最核心的意義，在于能夠幫助設(shè)計(jì)師/工程師實(shí)現(xiàn)快速原型制作，降低樣機(jī)開發(fā)成本，大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，增材制造技術(shù)可以在產(chǎn)品造型論證、結(jié)構(gòu)論證、造型樣機(jī)制作、工程原型制作等環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用。捷豹XJEV原型車

增材制造技術(shù)引發(fā)的設(shè)計(jì)革命——面向增材制造的設(shè)計(jì)思想消費(fèi)類工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程可包括產(chǎn)品策劃、市場調(diào)研、目標(biāo)人群分析、造型/功能規(guī)劃與論證、造型/功能設(shè)計(jì)、造型樣機(jī)制作、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與論證、工程原型制作、產(chǎn)品試產(chǎn)及論證、產(chǎn)品量產(chǎn)等步驟。在傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，產(chǎn)品樣機(jī)的制作往往要通過減材制造手段來完成，設(shè)計(jì)師/工程師需要就產(chǎn)品參數(shù)、配合方式、公差等進(jìn)行大量分析討論，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。增材制造的出現(xiàn)能夠在一定程度上解決上述問題：由于大多數(shù)三維模型格式都可以直接轉(zhuǎn)化成.STL