衍生式设计 101

在制造行业，几乎所有的工程师都将衍生式设计视为 CAD 设计的最新前沿技术。衍生式设计利用人工智能 (AI) 开发新的高性能迭代设计，有助于解决复杂挑战、降低组件重量和制造成本、实现大规模定制并优化组件性能。

具有极其复杂特征的高度网格化设计听起来可能并不现实，但事实上衍生式设计在当今世界中的应用已经愈发广泛。

阅读本综合性指南，了解衍生式设计的工作原理、优势、应用，以及 3D 打印在实现难以置信的设计方面起到的重要作用。我们提供实际案例研究和实用提示，可帮助您快速上手。

衍生式设计是一种迭代设计探索过程，旨在使用基于 AI 的软件程序生成满足一系列特定约束条件的设计方案。传统设计主要依靠工程师的专业知识设计模型，但与此不同，衍生式设计以设计参数为出发点，使用 AI 生成模型。

通过不断改进优化反馈循环来修改设计参数，工程师可以制定高度优化的定制设计方案，有效应对各类工程挑战，例如打造更轻便、更牢固和更具成本效益的产品组件。

式设计和拓扑优化已成为 CAD 设计领域的流行词，但用户经常将两者误认为是同一概念。 

拓扑优化并不是一项新技术。该技术已存在至少 20 年，并且广泛应用于常见 CAD 软件工具中。开始拓扑优化时，人类工程师需要创建 CAD 模型，根据项目参数应用载荷和约束。随后，软件将生成一个优化的网格概念模型，供工程师评估。也就是说，拓扑优化起初需要一个人工设计的模型，因此其流程、结果和规模均受到限制。 

某种程度上，拓扑优化是衍生式设计的基础。衍生式设计优化了上述流程，消除了对人工设计模型的依赖，AI 将取代设计师，基于一系列预定义的约束条件开展设计。

随着技术的演变，工程师的职责也在发生变化。由于设计工作愈发依赖于计算机软件，了解如何操作数字工具以应对设计挑战已成为各行各业工程师的核心需求。在衍生式设计出现之前，工程师需要通过手动绘图和建模对想法进行概念化并测试迭代。

如今，有了衍生式设计软件，工程师只需指定高级性能需求和通用设计框架，剩下的具体工作均可交给软件执行。当表征新材料或对难以定义的问题和解决方案进行建模时，参数的定义过程可能十分复杂。

衍生式设计完全不同于传统设计流程，工程师将不再需要自行创建设计方案，只需阐明并优化成功实现设计所需的条件。衍生式设计将“思考”的工作交由计算机执行，让工程师能够专注于创新和解决高级问题。

从航空航天、建筑到制造业和消费品，衍生式设计广泛应用于各行各业。采用衍生式设计的工程师通常会尝试解决复杂的工程挑战，包括降低组件重量和制造成本、实现大规模定制和优化性能。

例如，在汽车制造业，工程师经常利用衍生式设计来降低部件重量、改善薄弱设计部分、整合部件以降低生产成本，并缩短新产品的上市时间。

同样在运动器材行业，设计师可利用衍生式设计将产品性能提升至全新水平，同时最大限度降低生产成本。在航空航天行业，衍生式设计可减轻飞机部件重量并提高部件强度，从而帮助航空公司减少燃料消耗，降低成本和排放量。

同步探索：衍生式设计的一个显著优点是支持同步探索、验证和比较数百或数千个设计选项。衍生式设计软件可以显示和比较这些设计选项，使工程师能够快速高效地找到最符合项目参数和需求的选项。

加快设计进程：通过利用 AI 快速、高效、大规模地探索和测试新的复杂迭代设计，工程师可以大幅缩短新产品的研发时间。因此，采用衍生式设计的公司可以加快产品上市速度，获得竞争优势。

利用先进制造工艺：衍生式设计可以利用增材制造技术独有的设计自由度创建复杂的设计，如整体特征和内部网格。衍生式设计还支持整合部件，通过衍生式算法和 3D 打印技术，可将数十个独立的组装部件替换为单个复杂的几何结构。 

可熟练使用 CAD 的人员能轻松地掌握衍生式设计软件。除了衍生式设计专用的软件外，很多 CAD 程序现在也集成有衍生式设计工具或插件。

然而，衍生式设计软件能够为用户提供比传统 CAD 软件更多的功能。利用这些工具，用户可将力、材料、成本等相关信息输入到设计配置文件中，并基于设计方案的示意图来确定参数的优先级并优化参数。 

以下是可提供衍生式设计功能的一些常用软件程序（并未涵盖全部可用软件）：

1. Autodesk Fusion 360：Fusion 360 为用户提供一系列功能强大的建模工具，包括绘制草图、直接建模、曲面建模、参数化建模、网格建模、渲染等。这些衍生式设计功能可帮助用户确定设计需求、约束、材料和制造选项，生成可直接用于制造的设计，同时还提供机器学习和人工智能功能，方便用户基于可视相似性、图形和过滤器查看云端生成的设计方案。

2. PTC Creo Generative Design：该软件允许用户利用云对设计概念进行优化，并快速地同步探索和测试大量迭代设计。基于用户设置的设计参数，该软件将突出显示最符合用户目标的迭代。在 Creo 设计环境中，用户可生成高质量、低成本且可用于制造的设计，且花费的时间远少于主要竞争对手。

3. nTopology nTop Platform：nTop Platform 软件可确保用户全面掌控优化过程及其输出。利用先进的衍生式设计工具，用户可以根据应用特有的需求创建可重用的定制工作流。该程序的特色功能包括牢固建模和点阵操作、拓扑优化、可重用设计工作流、场驱动式设计和机械－热有限元分析仿真。

4. Siemens NX：除了衍生式设计之外，NX 还支持数字孪生技术，该技术可为用户提供灵活、强大的集成式解决方案，帮助用户简化设计并提高产品质量。NX 将设计互操作、验证和基于模型的定义等功能相结合，可帮助用户在提高产品质量的同时，以更低的成本更快地完成产品的研发。

MSC Software MSC Apex Generative Design：该程序为用户提供端到端的解决方案，可帮助用户制造高精度金属部件，不仅速度快于竞争对手，并且需要的人工干预也更少。MSC Software 的报告显示，用户的初始设计和设置时间缩减多达 80%。该软件将便利性、自动化设计、导入和验证功能以及直接输出集为一体，操作一目了然。

衍生式设计算法通常能够创建具有支撑网格的高效整体形状，这些支撑网格成本高昂，甚至可能无法使用传统制造技术（如注塑成型）或减材制造工具（如 CNC 机加工）制造。3D 打印等先进的制造工艺，也就是所谓的增材制造技术，对于注重性能的应用能够发挥出色的优化作用。

3D 打印之所以能够与衍生式设计完美协同工作，是因为它能够灵活、快速地为一个或多个设计迭代生成高分辨率三维模型，有利于获得具有成本效益的最终产品。从经济角度来看，3D 打印的成本效益通常随着设计迭代的复杂性而增加。

3D 打印在小批量生产中具备出色的成本优势，因为用户无需通过大规模生产来抵消初始成本。因此，3D 打印有助于实现衍生式设计的大规模定制。随着 3D 打印成本的不断降低和材料种类的持续增加，3D 打印越来越多地应用于中小型部件的生产。

我们将通过三个案例来展示衍生式设计和 3D 打印如何在现实应用中有效地协同工作。

日本电动汽车制造商 WHILL 克服了技术挑战，通过减轻最重的电池箱重量，制造出了更轻便的电动轮椅。借助 Autodesk 的 Fusion 360 衍生式设计软件，WHILL 的工程师打造出一款全新的设计，将电池箱的重量减少了 40%。

然后，产品开发团队采用了一种新颖的制造工艺，将设计变为实物。该团队将设计分为四个部分，以便配合 Formlabs 桌面级立体光固化 3D 打印机的成型体积，然后用 Castable Wax Resin 打印熔模铸造部件。然后，工程师将部件连接起来，使用砂型铸造工艺生产出最终的金属铸件。结果表明，团队利用内部 3D 打印和衍生式设计实现了重大突破，通过减少产品中的部件总数降低了 WHILL 轮椅的最终制造成本。

与 WHILL 类似，鞋类制造公司 New Balance 同样通过衍生式设计和 3D 打印取得了重大突破。怀揣着在定制鞋系列方面持续创新的长期愿景，2015 年，New Balance 与数字设计工作室 Nervous System 展开合作，利用衍生式设计开发一种中底，力求根据跑步者的表现数据打造出更适合运动的鞋款。

随后，在 2017 年，New Balance 与 Formlabs 又合作开发了 Rebound Resin，这是一种获得专利的生产级光聚合物树脂，其抗撕裂强度、拉伸强度和伸长率分别是市场上其他生产级弹性 3D 打印材料的五倍、三倍和两倍。New Balance 和 Formlabs 在制鞋领域取得了巨大进展，为最终用户提供了更优质的产品。 

两家公司还将继续合作，共同实现最终目标，即通过衍生式设计和新颖的 3D 打印材料，为每位客户量身定制跑鞋并实现量产。

想知道从何入门吗？可通过以下关键信息快速入门：

易于上手。如果您拥有一定的 CAD 知识，学习衍生式设计不会花费太长时间。衍生式设计能够轻松处理定义明确的闭合问题。衍生式设计工具已集成到许多 CAD 软件包中，并提供 30 天的试用。

现有部件的轻量化改造很适合作为入门项目。轻量化是个不错的起点。用户可以在充分了解载荷的情况下，保持原有性能的同时，优化部件的重量。

将长期愿景分解为小型的研发项目。衍生式设计和增材制造需要利用不同的思维模式和工作流程。您无法在一夜之间获得具备最佳性能、并且可在全球范围内大规模供应的定制 3D 打印产品。大多数成功的项目都源自于一系列随着时间的推移而逐步迭代的战略项目。

请寻求技术合作伙伴获取专业技术和支持。许多软件和增材制造公司都有专门的支持团队，例如 Formlabs Factory Solutions。找到合适的方法来利用这些专业知识，实现快速入门和高效学习。

在各行各业的产品设计中，衍生式设计都在发挥着越来越重要的作用。无论公司的目标是减轻飞机发动机支架的重量、使电动轮椅更轻便，还是定制跑鞋，衍生式设计和 3D 打印都有助于实现全面优化和定制化，为未来发展铺平道路。

随着人工智能和增材制造技术的进步，衍生式设计的适用范围不断扩大，这些创新和前沿技术将拥有更广阔的应用，为用户带来更多优势。 

想要进一步了解衍生式设计吗？观看我们的网络研讨会“衍生式设计简介：利用 3D 打印生产轻量化部件”，了解衍生式设计的更多示例，以及使用 Fusion 360 制作轻量支架的分步教程。