什么是生成设计，如何在制造业中使用?

2022年1月28日

丹英里

在工厂里从事设计工作的人 — 许多现有的工艺——包括增材制造、数控铣削和铸造——在引入生成式设计时工作得更好。它可以用来提高产品性能，降低成本，并通过探索设计概念来扩大创新。

生成式设计代表了事物设计方式的范式转变，机器学习和云计算是你的设计伙伴。它是关于设计探索、创新和高级计算的。

什么是生成设计?

生成设计是一种人工智能(AI)可以接受你定义的工程挑战，并提供广泛的适当解决方案供你选择，然后你可以根据自己的需求进行改进。

在设计产品、部件或工具时，设计师不是试图牢记约束和参数，而是告诉软件他们已经确定的最终使用标准的限制和可能性。约束的类型包括:

材料
敏捷性
强度
成本
性能

你实际上告诉生成式设计算法你不知道解决方案，但你所知道的需求。

在现代云计算的速度下，生成式设计的自我导向过程可以根据您的需求确定可能的组合，可以提供完成设计的许多预先验证的迭代(如果需要的话，可以提供数千个)。

可以把它看作是由外而内的设计:建立各种设计属性并帮助获得最佳结果，而不是将原型应用于性能标准以进一步改进的传统方法。这是一门设计学科，可以用于从基本的、常见的设计挑战到非常高精度的设计的任何事情。

生成设计可用于广泛的制造行业，包括:

消费产品beplay官网客服电话
汽车
航空航天
工业机械
建筑产品beplay官网客服电话

生成设计如何应用于制造业?

的主要用例生成式设计在制造业中的应用自动触发预先验证的设计选项，以满足您所建立的需求。这对于高效制造来说尤其重要。有时，一个部件或工具必须在方法上或物理上适合固定的工作流或管道，作为更大设备或流程的一部分。

什么是生成式设计 — 使用生成式设计可以更容易地在不影响功能的情况下减轻部件的重量。

重新调整整个工作流程以适应新部件可能是破坏性的和昂贵的。关于它如何适应的参数可能非常窄。尽管人类设计师拥有在这些严格限制下进行实验的专业知识，但仍然有无数的变化需要使用生成设计软件来探索，比如Autodesk融合360年-最小化重量或材料成本或最大化性能指标。

当引入生成式设计时，许多现有的工艺，包括增材制造、CNC加工和铸造，都能更好地工作。它可以用来提高产品性能，降低成本，探索创新的设计理念。

在制造业中使用生成设计的3个主要好处

在制造过程中采用生成式设计有显著的好处。使用生成式设计可以在不影响功能的情况下更容易地减少部件的重量。它还产生了可持续性效益，减少原材料使用和环境影响，同时提高性能和降低成本。

1.提高产品性能

材料和设计是制造的伙伴，不同的物质表现出不同的特性。使用不同的材料可以完全颠覆设计。

当一种新材料进入市场或经济因素限制了典型材料的使用时，设计师可能会重新设计整个工作流程，这是一个非常昂贵的过程。生成式设计可以让他们更快地回到正轨，考虑到项目中所有可用的材料。无论他们是根据灵活性、刚性、重量还是对环境因素的响应来选择特定的材料或参数，生成式设计算法都有一个全局数据集——云——从中虚拟地测试替代方案，速度比设计工程师团队快得多。

轻量化

这是简单的物理原理:如果某物更重，它就更难推动、提升或以其他方式移动。当涉及到公共交通等领域时，减少化石燃料的最明确途径之一是使汽车、公共汽车或飞机重量更轻，从而减少它们移动所需的燃料。

轻量化激发了人们对未来物质的兴趣，比如石墨烯或碳纤维以取代钢铁等较重的工业时代材料。

减少一块材料的质量可以节省很多成本，例如:

物流:运输更轻的产品增加每单位运输功率使用的容量。beplay官网客服电话
制造业:无论是在工厂的地板上还是在客厅的桌子上，制造东西都更快更容易。

在全球和社会的基础上，使用生成式设计来减少材料的数量可能意味着更大的能力，用更少的原材料来生产所需的东西，以支持不断增长的人口。研究表明，这是可能的减少所用的材料量可达40%。

可持续性是轻量化的一个主要好处——更轻的产品意味着需要更少的原材料。beplay官网客服电话生成式设计允许用户根据不同的材料探索不同的设计。这样，就有可能使用更可持续的材料。

例如，使用生成式设计，航空航天公司空中客车公司创建了一个小屋分区在一架A320飞机上，它将乘客与厨房区分开，这是一个成功的概念证明，它带来了一些引人注目的数字。在A320飞机上，每节省一公斤，就可以节省106公斤燃料，每个隔板重约30公斤。空客公司计算出，如果整个机舱的每个隔板都采用相同的方式制作，每架飞机的重量将减轻1000磅以上，每架飞机每年将减少166吨的二氧化碳排放。

想象一下，使用生成式设计将其扩大到托盘桌、座椅，甚至在提供正确的材料的情况下，控制或机身，环境收益就变得显而易见了。

为了努力提高性能和减轻重量，日本汽车零部件制造商日本电装改革的发动机控制单元(ECU)该系统负责管理汽车电子燃油喷射系统的燃油量和时间。通过生成式设计，DENSO创造了最佳形状，使ECU轻了12%，同时保持了原始ECU的散热能力。

另一个轻量化的例子来自加拿大摩托车零部件供应商MJK性能．该公司确定了一个专门的利基市场，即想要购买哈雷戴维森摩托车的爱好者重新设计他们的游乐设施表现得像欧洲赛车。使用大规模设计和制造技术，服务于如此狭窄的客户群的成本通常是无法达到的。使用生成式设计，MJK能够将传统上笨重的部件——三个夹子——变成一种轻巧、独特的设计，这是如此成功，以至于该公司在同一周结束前将该部件投入生产。

添加剂原型和一次性生产的民主化给了MJK解决蓬勃发展的市场的手段;它发现生成设计是提供必要的性能指标的完美合作伙伴，而特有的视觉美学创造了自己的宣传。

生成设计也是关于材料科学的。如果有一个组件是用特定的材料设计的，但有一个更可持续的替代方案，人们只需要把它插入数字模型;几何图形的其余部分将进行调整，使其仍然符合性能规范。

未来工具、设备和仪器的构建模块也在不断进步，云的力量推动了生成设计，打开了一个前沿研究和专业知识的世界。传统上在你的行业里没有太多曝光的创新可以渗透出来。例如，如果制造商已经使用铝多年，也许硫化橡胶会增加弹性。也许聚合物结将吸收更多的负荷，并允许在整个结构的其余部分使用更便宜、更轻的材料。

2.降低成本

对于采用生成式设计的制造业来说，降低成本是最具吸引力的好处之一。几何图形中每节省一平方毫米的体积就意味着节省一笔成本，如果将节省的成本扩大到全球制造和物流管道，那么这个数字将是惊人的。通常，生成式设计可以减少大约20%-40%的材料。

但这不仅仅是彻底的改变或改变事物制造方式的终点。

回想一下空客(Airbus)改变一个客舱隔板作为概念验证的例子。使用低成本的开发技术，例如3D打印原型在美国，重新设计生产线上的单个工具或夹具可以对已建立的工作流程进行增量改进。

如果能够做到这一点，它便能够鼓励设计师去面对下一个更大的挑战。它可能会改变整个行业。

而帮助做出成本决策的工具在生成式设计过程的一开始就已经存在了。Fusion 360包含一个报告工具，可以根据不同的材料估算几何形状的成本，并将其绘制在图形中，以便轻松查看它们如何根据数量变化。

但是生成设计如何帮助降低现有技术的成本，如增材制造、零件整合、铸造和CNC铣削?

生成设计与增材制造

生成式设计和增材制造就像花生酱和果冻一样结合在一起。极其复杂的形状可以用最小的增量成本制成。正因为如此，增材制造非常适合于生成设计的部件。

事实上，最大限度地利用增材制造的方法是使用生成设计，它可以创造复杂的、高性能的形状。它们通常是最轻、最坚固的形状。制造这些类型的几何图形的唯一方法是使用增材制造方法。

传统的车床和CNC工艺通常不能在这种结构所要求的微小水平上争论细节，这使得增材工艺非常适合生成式设计。同样，在经典CAD环境中建模的设计选项没有利用增材制造提供的细粒度细节。

例如，3D打印机可以从任意数量的廉价材料中显示数字模型，用于原型制作或演示。根据需要多次改进和重印，当产品准备生产时，相同的数字资产可以无缝地转到现场生产工作流中。

零件整合的生成式设计

两个世纪的工业设计和制造给了制造业相当多的比特、碎片、工具、仪器、设备、零件、碎片和用于制造其他东西的组件。在这支舰队中有很多专业知识;对它进行抽样，以找到最好的部件组合在一起，而不是为每个项目设计一个新的几何结构，这是最快和最便宜的前进方式。

然而，随着低成本的原型和制造方法，如3 d打印技术在美国，引入新结构而不是结合现有设计的成本正在下降，其结果可以大大优于传统的“拼图”方法。

例如，在Fusion 360中使用生成设计技术，通用汽车(General Motors)工程师们能够重新设计一个标准的汽车部件-简陋的座椅支架-换成一块不锈钢片，而不是八块。该软件生成了150多个座椅支架的设计，用于将安全带固定在座椅上，并将座椅固定在地板上。新设计的部分现在比以前的支架轻了40%，坚固了20%。

对于已经存在的东西没有先入为主的概念，只有性能标准的知识，生成设计可以获得必要的创意。你最终可以得到一个单独的部件，而以前的方法可能是工程师们用无数个部件组装出来的。

生成式设计与铸造

另一个添加剂还没有先进到足以取代传统方法的领域是金属铸造(将热金属倒入负空间以创造特定形状)，特别是当涉及到大型和/或重型合金时。增材制造实际上已经在金属铸造工艺中找到了归宿，但目前它只用于原型设计，而不是生产。

生成式设计可以在降低成本和轻量化方面为金属铸造提供巨大的优势。节省原材料是铸造的关键，因为制造商通常生产更高的零件量，节省的成本可能会增加，或者原材料非常昂贵。

例如，欧特克与密歇根州的铸造厂合作贵族投发展一个超轻型飞机座椅框架．该团队使用了生成设计、3D打印、网格优化和熔模铸造，最终创造了一个比现有典型模型轻56%的座椅框架。对于一架615座的空客A380飞机来说，这将意味着每年节省10万美元的燃料，以及减少大气中14万吨以上的碳排放。

添加技术还可以生产实际的金属铸造模具，其几何形状比铸造模具复杂得多，而无需花费更长的设置时间和额外的成本。

生成设计与数控加工

在过去的十年里，人们对台式3D打印机产生了浓厚的兴趣，但尽管增长惊人，增材制造还远未推翻重工业中根深蒂固的加工技术基础设施。

在生成式设计引入制造业的新原则中，有一项是在更复杂的结构中引入更深层次的细节，这是工程师们从未有过的。那么，当传统数控制造不允许它时，会发生什么呢?

这样的约束是生成设计的面包和黄油。工作方法是将每一个设计、性能、重量、材料和制造参数输入到软件中，以产生最佳的设计思想，以及工业减法加工和铣削对制造的限制或护栏(如刀具直径或长度)。

当3轴CNC设备使用普通工具时，它不太适合类似的5轴设备可以工作的窄腔。但是，虽然五轴设备更精确，但它需要更多的设置时间。就像在其他业务流程中一样，有一个权衡。

但是在流程的设计阶段，您可以简单地要求生成设计算法为您正在使用的制造流程优化它所呈现的设计。如果你有一个3轴CNC设备，它不会给你过度弯曲，晶格状结构，添加工艺做得很好，或者适合5轴机床的小孔径。

例如,进化MH开发工程这家总部位于英国的公司希望为其设计一种更轻、成本效益更高的组件电动超级跑车．为了满足电动汽车的性能和续航目标，减重非常重要。Evolve团队还要求该部件适合2.5轴CNC铣削。

工程师团队使用Fusion 360输入零件的要求和参数:比如强度、刚度和性能。最终，该团队为电动超级跑车设计的组件比原来的设计轻了40%，并在创纪录的时间内完成。

3.通过探索新的设计概念来扩大创新

在生成设计的所有潜在好处中，也许最普遍和最不受欢迎的是将创新文化嵌入到整个制造业中。许多首席技术官、工程师或设计师一开始对生成设计的好处持怀疑态度，最后却成为最直言不讳的传播者。

由于生成式设计是在云端进行的，它将使设计师和工程师接触到传统方法可能从未接触过的其他想法和技术。

工业工程师可以更多地与数字设计师合作。cto可以开始理解力是如何作用在材料上的。工厂经理们可以看到，一台计算机如何能够比一个人自己创造出更好的第一步(或10个或100个选项)。创新与合作齐头并进。通过生成式设计，可能性的世界得到了极大的扩展。

总部位于芝加哥的自行车零件制造商和创新实验室静态存储器为知识渊博的爱好者的专用客户群制造零件，在这种情况下，为越野自行车手。该公司制作了一个原型一个自行车曲柄臂的复杂形状，只能使用增材制造和生成设计的组合过程。这是一个理想的测试案例，看看生成式设计可能对其他自行车部件有什么影响。这段经历激发了公司在设计、材料和成本方面探索新的机会和创新。SRAM表示，生成式设计在公司如何概念化其业务方面发挥着重要作用。

另一个例子是提升的合资企业现代汽车CRADLE事业部和设计工作室Sundberg-Ferar．Elevate看起来就像科幻电影中一只友好的昆虫，它的轮子位于四条铰接“腿”的末端，可以使用任意四种模式的组合移动——两种驾驶方式和两种行走方式——理论上可以把它带到任何地方，用于公共交通、救灾等。

Elevate的无数部件都是根据这个概念从零开始设计的，由于生成式设计，其中许多部件都具有极其轻量级的属性。