創(chuàng)成式設(shè)計+ 增材制造的輪轂定制

?在過去的100年里發(fā)展起來的大規(guī)模生產(chǎn)滿足了大眾的各種基本需求。以汽車為例，大規(guī)模生產(chǎn)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(xiàn)。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(guī)模生產(chǎn)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(zhì)、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?；趥鹘y(tǒng)制造工藝和傳統(tǒng)設(shè)計方法的個性化定制就是“昂貴”的代名詞，它意味著要有設(shè)計師專門進行個性化設(shè)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(shè)計師的的設(shè)計費用更是可能高至天價。

現(xiàn)在，隨著增材制造技術(shù)和工藝的日益成熟，增材制造生產(chǎn)1000件不同的產(chǎn)品和生產(chǎn)1000件相同的產(chǎn)品，成本幾乎不會增加，這為大規(guī)模個性化定制的實現(xiàn)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(shè)計 。傳統(tǒng)的基于設(shè)計師手繪式設(shè)計+手工CAD建模的設(shè)計方式設(shè)計的是單一模型，有多少個性化需求，設(shè)計師就得做多少個設(shè)計，這無論從設(shè)計師數(shù)量還是設(shè)計靈感上都是無法達到的。而創(chuàng)成式設(shè)計正是這種廉價高效的個性化設(shè)計的方法，它不再依賴手工建模創(chuàng)建單一模型，而是基于規(guī)則編寫算法生成模型，一套規(guī)則可以生成無數(shù)種模型。設(shè)計師的任務(wù)已經(jīng)變?yōu)閯?chuàng)建規(guī)則，編寫設(shè)計程序了，生成模型的任務(wù)交給計算機自動完成。最終的個性化模型是由一組合適個性化的參數(shù)或條件來確定的。有了創(chuàng)成式設(shè)計加上增材制造工藝，就已經(jīng)具備了大規(guī)模個性化定制的充要條件。

以輪轂為例，我們看看如何應(yīng)用創(chuàng)成式設(shè)計和增材制造實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制。汽車輪轂是最體現(xiàn)汽車個性化的部件之一，對輪轂的需求既有美觀，又有性能、輕量化、節(jié)能等各個方面。許多愛車的朋友購車后都會進行輪轂改裝，在改進性能的同時，彰顯自己的與眾不同。輪轂設(shè)計既有需要標準化的部分，也有可發(fā)揮創(chuàng)造力的造型設(shè)計，但是無論造型如何變化，滿足力學(xué)性能的設(shè)計目標不能變。

首先，標準化的輪輞部分，可以通過參照標準中提供的幾何關(guān)系建立編程規(guī)則，通過編程實現(xiàn)輪輞的參數(shù)化建模。

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圖 1 輪輞參數(shù)化模型

再來看輪輻的創(chuàng)成式設(shè)計，我們可以通過定義幾何關(guān)系來確定模型生成規(guī)則。如果我定義一種這樣的幾何關(guān)系：輪輻為成組的分支結(jié)構(gòu)，分支節(jié)點位于一系列同心圓上，層間可以扭轉(zhuǎn)，分組數(shù)、分支層數(shù)、扭轉(zhuǎn)角、同心圓半徑分別為在一定范圍內(nèi)可變的參數(shù)。那么當(dāng)我們改變?nèi)我鈪?shù)的時候，就會生成不同的結(jié)果。假設(shè)分組數(shù)可取10個數(shù)值、分層數(shù)可取4個數(shù)值、扭轉(zhuǎn)角可取20個數(shù)值、同心圓半徑組合可取50種，扭轉(zhuǎn)范圍可取10種組合的話，那么生成的結(jié)果將會有400,000種。這里我們僅展示其中的幾十種，如圖2所示。這里描述的規(guī)則示例，只是一類規(guī)則，我們還可以創(chuàng)建其他形式的規(guī)則，以生成不同于分支結(jié)構(gòu)的風(fēng)格樣式。

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圖 2? 輪輻的創(chuàng)成式設(shè)計

創(chuàng)成式設(shè)計非常靈活，根據(jù)輕量化目標，可以加入鏤空的結(jié)構(gòu)元素，如圖3所示。這些鏤空元素也是隨著輪輻形式以及輪轂規(guī)格的變化，按照規(guī)則自動生成的。

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圖 3 輪轂的輕量化結(jié)構(gòu)

創(chuàng)成設(shè)計過程關(guān)注的是需求、功能、性能等需求，得到的結(jié)果無論多么復(fù)雜，都可以通過增材制造制造出來，并且沒有增加成本。根據(jù)用戶的喜好，每一款輪轂的樣式都可以不同，無論小批量定制，還是大規(guī)模定制化，都不增加成本，這是增材制造的最大優(yōu)勢之一。

?圖 4 增材制造的輪轂

未來的個性化創(chuàng)成式設(shè)計可以是用戶參與的。設(shè)計師設(shè)計的不同類別風(fēng)格的程序打包后發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)上，開放一些參數(shù)給用戶，由用戶自主調(diào)節(jié)，即用戶參與的創(chuàng)成式設(shè)計，隨著用戶改變參數(shù)，結(jié)果千變?nèi)f化，選定樣式、材質(zhì)等，完成在線定制下單。用一個公式描述就是：創(chuàng)成式設(shè)計+增材制造=你參與設(shè)計+為你制造= 100%用戶滿意+ 尊享體驗。

創(chuàng)成式變晶格設(shè)計

?形狀變化可以由參數(shù)的變化來控制。如果設(shè)計巧妙，一個參數(shù)就可以生成復(fù)雜的變化。以圖5的實例為例來看，在一個四邊形中，我們?nèi)∫粋€頂點和與其相鄰的兩邊上的中點，該頂點與四邊形的中心點連接直線，在直線上取一點，與上述相鄰兩邊的中點構(gòu)成的3個點生成一條NURBS曲線，我們可以用一個參數(shù)來確定直線上點的位置，當(dāng)改變參數(shù)時，點隨之移動，相應(yīng)地NURBS曲線也隨之改變。我們把這種變化擴展到整個四邊形以及六面體上，觀察基于NURBS曲線生成的晶胞隨參數(shù)的變化，再擴到多個晶格陣列時，觀察晶格隨參數(shù)的變化?，F(xiàn)在，如果我們把這個參數(shù)和晶格單元中心點所在的位置的坐標關(guān)聯(lián)起來，以某種規(guī)律和數(shù)學(xué)方程求出參數(shù)變化規(guī)則來控制陣列中的每個晶格的形狀和填充率，就會產(chǎn)生比較奇妙的變化。

?圖 5 創(chuàng)成式設(shè)計變晶格

無人機設(shè)計

?無人機除了最早軍事領(lǐng)域的應(yīng)用外，在工業(yè)和商用領(lǐng)域也愈發(fā)值得關(guān)注，這是由于無人機能夠訪問人類（或其他種機器）根本無法進入的地方。例如人道主義組織和救援服務(wù)機構(gòu)已經(jīng)在利用無人機對自然災(zāi)害發(fā)生后交通阻斷的地區(qū)進行調(diào)查，其他采用無人機的行業(yè)包括農(nóng)業(yè)、采礦、石油/天然氣和建筑等等，物流/配送也是一個非常引人注目的領(lǐng)域。

更多更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，則需要無人機在大載重、長航時上有更大的突破。通常除了考慮運行環(huán)境外，尺寸和重量是影響無人機飛行的兩個重要因素，也是影響載重和長航時的重要因素。一般來說自重越輕，相對可以增加載重量。本案例中對無人機架的設(shè)計主要目標即在不影響無人機各項飛行能力情況下，減小無人機自重。

無人機原始設(shè)計是采用注塑殼體，重量較重。其中旋轉(zhuǎn)機翼、電池倉等位置及尺寸是確定的，無其他約束。底面考慮攜帶其他物體，做了分級Voronoi。采用創(chuàng)成式設(shè)計實現(xiàn)輕量化。采用框架結(jié)構(gòu)，框架的形狀由幾個參數(shù)確定，改變參數(shù)時，模型自動重新生成。

?圖6 無人機架創(chuàng)成式設(shè)計動畫

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設(shè)計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進設(shè)計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。