根据3D科学谷的市场观察，在过去的二十年里，我们的世界在快速加速的技术力量的推动下发生了根本性的变化。增材制造提供了更高的设计自由以从更深的层次上变革和重新定义制造，而创成式软件正在搭载增材制造这项制造技术以构建面向未来的设计。本期，透过欧特克总结的创成式设计的八大价值，3D科学谷与谷友来进一步领略创成式如何汲取自然界的灵感，从而赋予零件“生命力”，进一步重新定义制造。
创成式设计的座椅
© Autodesk
设计重新定义制造
创成式带来的新世界
仿生学不是复制自然形状，而是复制自然解决问题的方法。仿生学和创成式设计之间的真正联系是一些软件如何利用自然界中发现的逻辑来获得其中算法的奥秘。Autodesk Fusion 360内置的 Project Dreamcatcher是目前创成式设计软件的一个典型代表。
创成式设计优化航空航天零件
© Autodesk
在 Autodesk Fusion 360 的案例中，创成式设计的想法受到仿生学中自下而上的方法的启发。令人着迷的是，有一个算法来自“白蚁巢穴，以及白蚁使用信息素相互发送信号的方式，开发人员创造了压力或信息素梯度，核心方法非常简单，但结果却很复杂。
有了这种受自然启发的逻辑作为其创成算法的核心，创成设计程序必然会不时创成有机形状，以不对称和复杂的表面为标志。但目前的制造方法无法与大自然所创造的奇迹相媲美，这使得创成式设计软件本身还有着很多进化的空间。
创成式设计
© 3D科学谷白皮书
譬如大自然中的人体，人体是单一的组件来促进流体流动和交互结果，而这在航空航天领域也有类似的活动。那么未来或许创成式设计还可以进化到如何结合流体流动和结构功能，虽然这在创成式设计中目前还不是主流。
欧特克的开发团队已经在研究框架创成系统，这些系统可能在未来用于商业发布。那么创成式设计对制造所带来的范式改变，最突出的有哪几点呢？
I 制造感知技术
Fusion 360 中的创成式设计包括制造感知技术，这意味着它可以生成多个受可用设计约束影响的设计选项。此外，减材和增材制造技术可帮助用户了解设计的可能性。创成式设计还可以通过创建人类无法想象的可加工几何形状来提高生产力。
将创成式设计与制造无缝结合，例如此前欧特克就发布了创成式设计的2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。这使得Fusion 360用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。
通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计和可制造性都是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，欧特克关于创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。
除了可以直接访问Fusion 360基于云的创成式设计，高级仿真模拟和高级CAM功能外，欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。
I 并行工程支持
创成式设计技术使工程团队能够与制造团队合作，根据材料、制造方法和成本限制等参数开发出现实的结果。需要在制造过程的早期跨团队达成共识，从而增强和简化工作流程。
1988年美国国家防御分析研究所(IDA—Institute of Defense Analyze)完整地提出了并行工程(CE—Concurrent Engineering)的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。
欧特克Fusion 360提供一站式的3D打印与铸造成本比较 © Autodesk
并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从设计开始就考虑产品寿命周期的全过程，不仅要考虑产品的各项性能，如质量、成本和用户要求，还应考虑与产品有关的各工艺过程的质量及服务的质量。它通过提高设计质量来缩短设计周期，通过优化生产过程来提高生产效率，通过降低产品整个寿命周期的消耗，如产品生产过程中原材料消耗、工时消耗等，以降低生产成本。
I 人工智能 (AI) 作为制造合作伙伴
创成式设计是人工智能 (AI) 的一种形式，可以为零件以及模具设计提供大量可用于制造的解决方案，甚至可能是开发过程的自动化。有远见的公司使用创成式设计作为制造合作伙伴来帮助弥合技能差距。
人工智能 3D打印
© 3D科学谷白皮书
在设计航空航天或汽车部件时，此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议，但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计，不过这一切已经不是梦想，实际上已经在做了。
此前，空客已投产的仿生学机舱隔离结构就来源于创成式设计结果。该结构是采用高强度轻质铝合金材料与粉末床激光熔化3D打印技术制造的，用于空客A320机舱中，起到分隔客舱与后部食品准备区的作用。
I 集中数据
集中数据意味着工程和制造部门可以一起处理相同的数据。例如，程序员可以与操作员共享设置表，操作员可以更新云工具库，设计人员可以将设计更改发送给程序员。因此，集中的数据和功能可以随时随地为用户解锁高级工具。
根据3D科学谷的观察，不仅仅工程和制造部门可以一起处理相同的数据。在设计的前端数据的集中也使得建模与仿真过程融为一体。
随着3D打印-增材制造技术的不断成熟和应用，通过CFD和FEM在制造前预测性能、优化设计并验证产品行为，零件经过结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后通过增材制造技术加工出来。CFD、FEM技术与3D打印-增材制造技术相得益彰，互相成就，共同推动零件的性能升级。
建模与仿真的无缝结合正成为大势所趋，在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。
未来，工程团队与工程团队之间，工程团队与制造团队之间，将更紧密的协作。
I 高附加值的职业技能
随着云计算、人工智能、自动化、增材制造等方面的进步，设计师和工程师设计和制造产品的方式正在发生变化。为了获得有竞争力的职业优势，人大脑的艺术感知能力与人工智能相结合将诞生出新的技能。
使用算法驱动的软件进行设计的好处在于，设计开发人员可以通过所有相关换热器设计的更高层次的思维专注于实现目标，而不会因为确认一个特定设计中的细节而耗费精力。
点阵建模软件 © 3D科学谷白皮书
创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”。
根据3D科学谷的市场判断，从建模仿真到数字孪生体技术，再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面，仿真与算法将赋能3D打印的方方面面。很快，3D打印行业会发现，一家3D打印企业需要有人精通仿真软件的应用，需要团队中有一些人可以编写代码，否则这样的企业将变得寸步难行。
6
降低商品销售成本
创成式设计过程在生产过程的早期探索制造就绪的结果，减少材料成本和进行模具设计更改所花费的时间，以便用户可以更快地进入市场。此外，创成式设计产生的结果通常会最大限度地减少质量和材料的使用，整合零件并提高产品的耐用性。事半功倍，通过提高投资回报率获得竞争优势。
实现更少的零件 © 3D科学谷白皮书
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增材制造
迄今为止，由于材料成本、大批量零件运行要求、速度、可重复性等问题，增材制造的应用一直很缓慢。更不用说，与创新相比，现有供应商花费了更多的时间和金钱来保护他们的专利。
创成式设计的车架 © Autodesk
增材制造所节约的时间和成本将使得这项技术不仅可行而且是必需的。借助 Fusion 360 和创成式设计，有远见的公司有机会同时考虑减材 (CAM) 和增材结果，否则就会被甩在后面。
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Re-Shore 制造专业知识
供应链问题在当今世界中占据主导地位，Fusion 360 中的加工和创成式设计提供了一个新的机会，可以将制造专业知识带回生产制造产品的国家。创成式设计不会取代制造的位置，而是让制造者成为更有价值、更高效、更优秀的工程师——无论是现在还是未来。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关增材制造领域的更多深度分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
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