创成式设计与3D打印,仿生学设计的捷径
发布时间：2018-07-09 来源：3D科学谷
乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。
工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感，比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感....这样的例子在工业领域还有很多很多。
那么，为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。
从自然进化的天然结构中寻找技术解决方案
生物具有的功能可以说比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。
植物和动物在几百万年的自然进化当中能够完全适应自然。仿生学的意义在于从技术方面模仿动物和植物在自然中的功能，这为生物学和技术架起了一座桥梁，并且为解决技术难题提供了新的思路。通过再现生物学的原理，人类找到了很多技术上的解决方案。
比如说，犀鸟的喙非常简洁，它是一种典型的功能集成结构。
图片来源：360个人图书馆
从犀鸟喙部的解剖图中可以看出，分配在三维空间中单一物质具有生成多个功能的可能性，这一巧妙的结构可以很好地转化为人为技术，例如模仿这一结构进行飞机机翼的仿生设计优化。
丹麦技术大学机械工程系副教授Niels Aage 曾带领团队对一架波音777客机的机翼进行了设计优化，优化结果与犀鸟喙非常相似。
与原有机翼相比，优化结果要轻2%-5%，也就是约减重200-500公斤，从成本角度上看，这意味着使用这类机翼的飞机每年将节省40-200吨燃油。
图片来源：360个人图书馆
不过由于优化设计得到的设计方案过于复杂，传统制造技术是无法制造的，理论上只有通过一台足够大的3D打印机才能制造如此复杂的仿生结构。虽然目前还没有如此大的3D打印设备能够将这一仿生设计制造出来，但这一仿生设计方案，依然对飞机轻量化设计探索具有重要意义。
那么像这样复杂的仿生机翼结构是如何设计的呢？3D科学谷了解到，Aage 的团队使用了一种新算法，通过法国居里超级计算机，进行了400次优化才最终得到了这样的优化结果，机翼中的仿生架构都是由计算机自动生成的。
实现仿生结构的捷径
借助智能化的创成式设计软件和3D打印技术，将促进仿生学在制造中的应用。接下来的例子就是一个由智能化的创成式设计软件和3D打印技术创造出的仿生零件。
图片来源：Siemens
右图是一个高温燃烧器尖端部件，对比左边茴香剖面图不难看出，这个燃烧器尖端部件是一种仿生结构。
3D科学谷了解到，这个仿生结构是设计师通过西门子的创成式设计软件得到的结果。软件可以模仿大自然的进化设计方法，在设计时，设计目标以及材料、制造方式、成本限制等参数被输入到西门子PLM软件工具NX和SimCenter中。
燃烧器尖端部件的很多设计工作都是由创成式设计软件自动完成的，例如计算压降和均匀性，并根据这些值为优化器设置一组新参数，从而在NX中生成新设计。通过这种方式，软件可以完善零件的流动特性，热传导，强度，承载能力等特性。
图片来源：Siemens
当创成式软件得到设计优化结果后，这些复杂的仿生结构就可以通过3D打印技术进行制造。与传统设计相比，通过创成式设计得到的仿生燃烧器尖端部件零件数量减少50％，制造复杂性降低90％以上，长度减少一半，制造成本降低60％。
创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。
例如，人体骨骼具有复杂的内部和外部特征，由硬质外皮（骨皮质）骨形成刚性外层，但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成，具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此，蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用，从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中，蜂窝使得零件更坚固和更轻。
创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。
通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式，在设计的过程中，当设计师输入产品参数之后，算法将自动进行调整判断，直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within，欧特克的Dreamcatcher，西门子的Solid Edge ST10等。
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”。