周梦晗

周梦晗设计工具：用衍生式设计打造未来汽车-CardesignPics汽车设计圈

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周梦晗
欧特克衍生式设计已经有了众多应用案例，包括空客A320、Under Armour、Hack Rod汽车等，均采用衍生式设计技术，大幅提升了产品设计和制造效率。
为了在下一代汽车轻量化设计上实现进一步突破，通用汽车正与欧特克合作，以衍生式设计和增材制造为核心技术开发未来乘用车和货车，包括开发更高效、更轻盈的电动驱动系统及零排放车型。欧特克与通用汽车近日宣布，通用汽车将成为北美首家应用欧特克衍生式设计技术的汽车公司，其目标是超越传统设计优化方法所能达到的减重极限。
衍生式设计是一种设计探索技术，能够根据现实世界的制造制约因素和产品性能要求(如强度、重量、材料等)利用基于人工智能的算法同步生成多种可行的解决方案。这样一来，可供工程师探索和选择的“制造就绪”型设计方案便大大增多，而且生成速度之快也远远超乎想象。工程师可以从重复性设计任务中解脱出来，以便集中精力做出更有价值的决策，如最大化零部件性能等。
根据工程师设定的参数，衍生式设计生成了150多种可行的座椅托架备选设计方案
通用汽车全球零部件与分系统副总裁Ken Kelzer表示：“这项颠覆性的技术将显著推进车辆零部设计与开发的进程。未来，零部件将变得更轻盈、更高效。我们将3D打印这类制造技术融入设计科技中，彻底改变车辆开发的方法。”

在最初的概念验证项目中，欧特克和通用汽车的工程师们在美国密歇根州沃伦的通用汽车技术中心展开合作，利用衍生式设计重新构思了一个微小但很重要的汽车部件——用于固定安全带的座椅托架。根据工程师设定的参数(如所需的连接点、强度、质量)，衍生式设计生成了150多种可行的备选设计方案，设计出这些有机结构，是人类能力所不可企及的。同时，衍生式设计还显示出另一项优势，即部件整合，新部件可将8个不同的部件整合成一个一体化的零件。3D打印出的该一体化零件，在实现减重40%的同时零部件强度增加了20%。
基于衍生式设计和增材制造的一体化零件，在实现减重40%的同时零部件强度增加了20%
这次的座椅托架项目只不过是个开始，欧特克与通用汽车将展开长期的创新合作。两家公司将协力开展更多关于衍生式设计、增材制造和材料科学的项目。企业高管和工程师将参与一系列的互动，彼此交流看法、知识和经验。例如在今年3月份，两名通用汽车的工程师就前往欧特克著名的Pier 9技术中心参加了为期两周的衍生式设计高级培训。
欧特克的技术专家可根据通用汽车的需要随时提供帮助，并支持通用汽车使用欧特克的全套软件。通用汽车目前已经开始使用下列欧特克软件：Fusion 360，用于获取衍生式设计技术;Netfabb，用于晶格优化和金属增材模拟仿真，有助于预防3D打印期间的热变形、收缩和裂纹扩散等问题;此外还有Alias、Recap Pro和Meshmixer。

欧特克制造和建筑产品高级副总裁Scott Reese表示：“衍生式设计是制造业未来发展的趋势，通用汽车率先应用这一技术推进未来产品实现轻量化。但对于通用汽车而言，采用这种技术的好处远不止于汽车轻量化。衍生式设计真正区别于传统技术的一点在于，它能将多个部件整合为一个部件，并能大幅缩短产品开发流程。今后，通用汽车的工程团队能够开发上百种可以立即投入制造、高性能的设计方案。这和传统的方法相比，设计验证周期将大大缩短。眼下，通用汽车就可以利用这些技术优势来设计座椅托架等部件，而且，他们也已开始探索衍生式设计在改变消费者乘车体验方面的长期潜力。”
按照通用汽车的设想，未来的汽车将实现减重减材，这样不仅能节省燃油、为车主省钱，还能增加电动汽车的续航里程，并为乘客提供更宽敞的车内空间和带来更丰富的车内体验。而如欧特克衍生式设计这样的新技术，正在为汽车设计师提供广阔的创意空间，让他们自由探索前所未见的设计和造型。
衍生式设计知识

在欧特克公司大中华区总经理李邵建看来，CAD设计技术的应用经历了三个时期。在最早期的文档时代，CAD只是通过计算机辅助设计的手段将产品绘制记录下来，不管是二维的几何图形还是三维的产品模型，都是基于覆盖式、经验式的文档操作；在优化时代，三维CAD开始逐渐成为主流，不管是在建造业还是制造业，工程师可以通过真实准确的数字化模型，借助三维可视化的设计工具，以及仿真分析工具，让设计结果越来越优化；随着移动互联网的快速发展，如今的设计师和工程师需要越来越多的洞察用户需求，让产品更加富有创意和个性化，这意味着CAD设计将变得更加互联化和智能化。这也是欧特克致力于推动衍生式设计技术发展的重要原因。
何谓衍生式设计？ 当今时代正处于一个技术变革的转型时期，移动互联网、云计算、大数据、物联网等新技术的普及成为行业变革的强大催化剂，也催生了工业4.0、智能制造等一系列全球性产业发展趋势。可以想象到，未来的世界，通过这些新技术的应用一定会成为互连互通的智慧世界。 而设计技术的革新，将起到至关重要的推动作用。 在李邵建认为，随着IT技术的迅速发展，CAD设计技术的应用正发生着深刻的变革。李邵建说：“欧特克从两三年前开始提Future of Making Things，以契合‘帮助人们想象、设计并创造更美好的世界’这一欧特克从未改变的愿景，随着一步一步技术和产品的迭代，以及与最新的技术进行交互，最终推出了衍生式设计（generative design）这一代表着下一代CAD应用方向的技术。” 那么，何谓衍生式设计？ 通俗来讲，衍生式设计是在传统的CAD设计基础上，根据零部件的承载进行应力分析和拓扑优化，选择多种结构优化的方案，从中找到性能相同但重量更轻的结构，经过优化的零件重量甚至可以达到优化之前的十分之一。然后，可以通过增材制造技术将零件制造出来。 不仅如此，在未来的衍生式设计中，还将融合人工智能、虚拟现实、3D打印、机器学习等新兴技术，将设计过程变得更加智能，让设计的门槛进一步降低。 李邵建说，随着衍生式设计的发展，一定程度上可以降低设计者的门槛，以后的工程师也许不再需要特别专业的机械结构、材料科学等知识。工程师只需要在不同的设计阶段给出各种约束和限制性条件，计算机就能根据机器学习、人工智能、大数据分析、材料工程、分析仿真等技术给出设计方案，并且这些所有的应用都可以交付到云平台上进行。衍生式设计推进产品创新尽管还在持续发展和完善过程中，衍生式设计已经有了众多应用案例。 Hack Rod是一家位于洛杉矶的初创公司，其团队旨在创造世界上第一辆用人工智能（AI）构建并在虚拟现实环境中设计的汽车Hack Rod，他们同时可能会彻底改变这一过程中的制造供应链。 使用人工智能来创造性地提出自己设计想法的计算机是衍生式设计的核心，在欧特克的帮助下，Hack Rod采用了衍生式设计这一概念，并开发出一个目标导向3D设计平台Dream catcher。设计师告诉计算机相关的目标和限制，然后软件会生成想法，这些想法能帮助设计师扩大创意的可能性。基于此，Hack Rod团队制作了一个具有几何结构的汽车底盘，这些几何结构已经过验证。在几次试驾中，数百个传感器被安装在汽车上和司机身上，以此来测量压力等。传感器所捕获的数据能反映影响汽车和司机的物理力量，随后，这些数据被传送到欧特克的Dreamcatcher上来生成新的底盘设计。如此反复，可以越来越优化产品的性能。 在美国知名运动品牌Under Armour应用中，Under Armour利用欧特克衍生式设计和3D打印技术的结合，来改变鞋掌的设计。Under Armour的限量版跑鞋Architect是一款3D打印跑鞋，它可以在运动过程中随时贴合运动员脚部，独特设计的网格结构中底能为运动员提供稳定的脚跟支撑结构和并满足高强度训练所需的缓冲能力。目前，Architect已经可以在Under Armour官网接受消费者预订了。 在空客A320应用中，空客与欧特克The Living设计工作室合作，为空客A320飞机开发了一个大尺寸的“仿生”机舱隔离结构。这种结构是用一种被称为Scalmalloy的新型超强且轻质合金材料使用直接金属激光烧结成型技术3D打印而成的。虽然如今在空客的飞机上3D打印的金属零部件已不鲜见，但这是首次将金属3D打印部件用于飞机机舱设计。借助于欧特克衍生式设计技术，A320全新的机舱设计与原有的隔离结构相比，新型的仿生隔离结构由几个不同的部件组成，不仅强度更高，而且将其总量减轻了45%。如果应用到整个机舱，空客估计，新的设计方法每年可以减少465,000公吨的二氧化碳排放，相当于一年减少约96,000辆乘用车上路的排放量。

除此之外，欧特克衍生式设计还应用在AEC行业，设计并打印出了世界上首座机器人自主制造的桥梁。Forge平台加速云端生态发展 李邵建指出，欧特克除了大力推动衍生式设计的发展，还将致力于云生态的建设。在6月的欧特克Forge全球首届开发者大会，欧特克全面升级了Forge平台，包括推出全新的云端应用开发工具及服务，并积极开展与开发者的合作项目，力图颠覆以往传统的产品设计、制造和使用模式，为客户提供真正端到端的制造解决方案，从而将设计理念转化为现实。 Forge平台是一套整合初期设计、工程、可视化、协作、生产和运营阶段的云端服务。无论软件开发商的规模或大或小，都可运用开放式应用程序界面(APIs)和软件开发套件(SDK) 为制造商建立直观的云端应用程序、服务和经验。这次平台的更新和扩展包括了浏览器、验证方式，以及模型衍生、设计自动化、数据管理、3D打印和现实捕捉等API，并仍持续提供Fusion、A360和BIM360等API的产品内集成服务，供开发人员通过创建新的体验和服务来加强产品设计和人员协作，优化建筑行业的工作流程。

李邵建介绍，Forge可以广泛应用于各类制造用途——从零件检测到海底测绘，从利用无人机管理煤矿，到将成本预估转化为竞争优势，以及建立在线设计和制造服务等等，它正带动整个制造业走向未来。在李邵建看来，方便使用且可扩展的Forge平台在各类制造和建筑工程施工领域，将有着庞大的需求和发展空间。