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什么是衍生式设计,它将如何应用于生产制造?

2022-04-14 15:35:11 栏目:新闻动态 浏览:168

衍生式设计正在改变着事物的制造方式,并将在本世纪进入生产制造环节,同时简化流程、提高可持续性。



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在引入衍生式设计之后,现有的一些工艺(包括增材制造、数控机床和铸造等)能够发挥更好的作用。这种设计方法有助于提高产品性能、降低成本、探索创新型的设计理念。

  • 什么是衍生式设计?
  • 衍生式设计如何应用于生产制造?
  • 在生产制造中使用衍生式设计的 3 大优势
  • 衍生式设计在制造业的发展前景如何?


衍生式设计代表了事物设计方式的一种范式转变,在这个过程中,机器学习和云计算成为了设计的合作伙伴。这种设计的核心在于设计探索、创新和高级计算。



什么是衍生式设计?

衍生式设计是人工智能的一种形式,能够接受你给它提出的工程挑战,能提供一系列合适的解决方案供你选择,你可以根据自己的需求在此基础上进行优化。


过去,设计人员在做某一部件或工具的设计草案时,需要时刻记住限制条件和有关参数,而在新的设计方法中,他们只需把所确定的最终使用标准的限制条件及可能性告诉软件即可。限制条件的类型包括:

  • 材料

  • 敏捷性

  • 强度

  • 成本

  • 性能



你要告诉衍生式设计算法的是,你并不知道解决方案是什么,但你知道对它的要求。

在现代云计算的速度下,衍生式设计能根据你的要求自行找出可能的组合,可为某一已完成的设计提供许多经过预先验证的迭代方案(如有必要,可达数千次)。

我们不妨将其想象为从外向内的设计过程:各种设计属性都是事先确定的,以便获得最佳结果,而不像传统方法那样:将原型应用于性能标准以进行进一步的改进。这种设计方法可用于多种设计,从基本的常见设计挑战到精密度非常高的设计。

衍生式设计可广泛应用于生产制造领域,包括:

  • 消费产品

  • 汽车零件

  • 航空航天

  • 工业机械

  • 建筑产品



衍生式设计如何应用于生产制造?

衍生式设计在生产制造领域的主要用途是自动触发预先验证的设计选项,以满足用户已确定的要求。这对于高效制造来说是十分重要的。有时,某一零件或工具是一个更大的设备或流程的一部分,必须融入固定的工作流程或管道(无论从生产方法的角度还是物理条件)。
image.png使用衍生式设计可以更轻松地在不影响零件功能的情况下减轻它的重量。

为了适应一个新零件而重新调整整个工作流程可能会对生产造成破坏,而且成本太高。零件必须适应的参数范围有时非常狭窄。尽管人类设计师拥有在这些严格限制下进行试验的专业知识,但是,如果使用衍生式设计软件(如欧特克 Fusion 360),就有无数种不同的选项可供探索,最终可最大限度地降低产品的重量或材料的成本,或最大限度地提高性能指标。

在引入衍生式设计之后,现有的许多工艺(包括增材制造、数控机床和铸造等)能够发挥更好的作用。这种设计方法有助于提高产品性能、降低成本、探索创新型的设计理念。


在生产制造中使用衍生式设计的 大优势

在生产制造过程中采用衍生式设计有明显的优势。使用衍生式设计可以更轻松地在不影响功能的情况下减轻零件重量。它还能带来可持续性效益,减少对原材料的使用和对环境造成的影响,同时提高性能并降低成本。


01

提高产品性能

不同的物质具有不同的特性,在生产制造中,材料和设计总是相伴而行。换用不同的材料可以让原来的设计变成一堆废纸。

当一种新材料进入市场,或者因为经济原因人们难以获得通常使用的材料时,设计师们可能不得不返回到绘图板,对整个工作流程进行重新设计,然而,这个过程的费用是巨大的。若采用衍生式设计,只要考虑好所有可用的材料,设计师可以快速地完成任务。无论他们是否根据灵活性、硬度、重量或对环境因素的响应来选择特定材料或参数,这种衍生式设计的算法都有一个来自全球的数据集——云,而从云端测试替代方案的速度比一个设计团队还快得多。


轻量化

这是很简单的物理常识:如果物体较重,推动它时就比较困难,无论运动的方式是推进还是提升,又或是其他方式。比如,在公共交通等领域,减少化石燃料使用的最佳途径就是减少汽车、公共汽车或飞机的重量,从而减少它们在运动时所需的燃料。

轻量化激发了人们对未来物质的兴趣,如石墨烯或碳纤维,用这些材料替代像钢铁这样更重的工业时代的材料。

降低材料的重量可节省大量成本,例如:

  • 物流:使用同样的运输功率,运输较轻的产品会使运输产品的体积增加。
  • 生产制造:无论是在工厂车间还是客厅,都能让生产制造变得更快、更轻松。


从全球和整个社会的角度来看,使用衍生式设计可减少对材料的使用,这意味着用较少的原材料便可满足不断增加的人口对产品的需求。有研究表明,若采用新的设计方法,材料的用量可以减少 40%。


可持续性是轻量化带来的关键优势——产品的轻量化意味着它的制作需要的原材料更少。衍生式设计可使用户根据不同的材料探索不同的设计。有了这一新的设计方法,就有了使用更可持续材料的潜力。

例如,航空航天公司空中客车采用衍生式设计创建了一种机舱隔板,将 A320 飞机上的乘客区与厨房区隔开。这是一个成功的概念证明,产生了一些引人注目的效果。在一架 A320 客机上,每节省一公斤的重量就能节省 106 公斤的燃料,每个隔板的重量约为 30 公斤。空中客车公司做了一个计算:如果整个机舱的所有隔板都采用这种方式制造,那么每架飞机的重量最少能够减轻 454 公斤;这样每架飞机的二氧化碳排放量每年就会减少 166 吨。

不难想象,如果采用正确的材料,如果使用衍生式设计将生产制造扩展到托盘桌、座椅、控制装置或机架,那么对环境的益处将变得显而易见。


在努力提高性能和轻量化的过程中,日本汽车零件制造商 DENSO(电装公司)对发动机控制单元(ECU)进行了彻底的改造,该单元管理着车辆中电子燃油喷射系统提供的燃油量和时间。通过采用衍生式设计,DENSO 创造出了最佳形状,在保持原来的 ECU 的散热能力的同时,让 ECU 的重量减少了 12%

另一个轻量化的例子来自加拿大摩托车零件供应商 MJK Performance。该公司发现,有一小批哈雷摩托车爱好者有一项执着的爱好:他们希望改装自己的爱车,让它们像欧洲的赛车一样威风。若使用大规模设计和制造技术,为这么小的一个客户群提供维修服务,成本太高,根本不现实。但是,采用了衍生式设计之后,MJK 能够革新传统的笨重零件——三角轧头,并将其转变为一个轻便的部件和独特的设计,这一设计非常成功,公司在一个星期内便投入了生产。

增材制造的原型设计和一次性生产的普遍化为 MJK 提供了满足一个生机勃勃的市场的方法;MJK 感受到,衍生式设计是提供必要性能指标的完美合作伙伴,而独特的视觉美学也增加了公众对公司的了解。

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摩托车前端的 MJK Performance 的三角轧头渲染图。MJK Performance 供图。


衍生式设计也涉及到材料科学。如果某一组件原来是用一种特定材料设计的,而现在有一个更具可持续性的替代方案,此时,我们需要做的事情就是将其插入数字模型;几何方面的其他问题将得到调整,以便让组件仍然符合性能规格。

未来的工具、设备和仪器的构建模块也在不断进步,云的力量推动了衍生式设计,开启了一个前沿研究和专业知识的世界。原来并不常出现在行业上的一些创新有可能会在不经意间悄然而至。例如,一家多年以铝为生产材料的制造商发现:硫化橡胶有可能会增加弹性;聚合物的接头也许会承受更多的负载,使得结构的其余部分有机会使用更便宜、更轻便的材料。

02

降低成本

成本的降低是最能吸引制造业采用衍生式设计的优势之一。在一个几何体中,每节约 平方毫米的体积都能节省不少成本,如果将节省的体积扩大到全球制造业的物流领域,那么这一数量将会是惊人的。一般而言,衍生式设计会减少 20%–40% 的材料。

但它的真正意义并不仅仅在于它能带来巨变或改变产品制作方式的最终步骤。


刚才我们谈到了空中客车改变单个机舱隔板一事,这是作为概念证明的例子。借助低成本的开发技术(如 3D 打印原型),在生产线中重建一种单个工具或固定装置,可以让已经非常成熟的工作流程再上一层楼。

把握好这一点,将有助于鼓励设计师着手应对下一个更大的挑战。它有可能改变整个企业。

在衍生式设计流程的开始阶段,就已经有了帮助制定成本决策的工具。Fusion 360 软件含有一种报告工具,可根据不同材料估算几何形状的成本,并将其绘制在图表中,以便轻松查看它们如何随数量发生变化。

然而,衍生式设计如何帮助降低现有技术(如增材制造、零件整合、铸造和数控铣削)的成本?


衍生式设计和增材制造

衍生式设计和增材制造总是相伴而行。无论是多么复杂的形状都可以以最小的增量成本制成。正是因为有了这种特性,增材制造才非常适合基于衍生式设计而制作的零件。

事实上,要想充分利用好增材制造就要采用衍生式设计,因为这种方法可以生成高难度和高性能的形状。这些形状通常是最轻盈和最坚固的形状。制造这些类型的几何体的唯一方法就是增材制造。

传统的车床和数控加工通常不能在这些结构所需的细微之处操作,这使得增材制造成为衍生式设计的不二选择。同样,在典型的 CAD 环境中建模的设计也无法充分利用增材制造所擅长的精细之功。

例如,3D 打印机可以使用各种廉价材料制作数字模型,以进行原型制作或演示。用户可按需要多次对模型进行优化和重新打印。当准备工作就绪和产品即将投入生产时,原来使用的数字资产可以天衣无缝地转移到实时的生产工作流中。

image.png借助低成本的开发技术(如 3D 打印原型),在生产线中重建一种单个部件或工具,可以让已经非常成熟的工作流程再上一层楼。


可用来进行部件整合的衍生式设计

长达两个世纪的工业设计和制造为制造行业提供了大量的资源积累,包括钻头、零件、工具、仪器、设备以及用于制造其他物品的部件、碎片和组件。该行业拥有大量的专业知识;面对一个项目,总是首先对最好的零件进行采样,之后再进行组装,而不是为每个项目设计新的几何形状。长期以来,这是业界最快捷和最便宜的操作方法。

然而,由于采用低成本的原型设计和制造方法(如 3D 打印),引入新结构而不是合并现有设计的成本正在下降,所以,其结果可能远远超过传统的“拼图”方法。

例如,通用汽车公司的工程师使用 Fusion 360 的衍生式设计技术,能够将一个标准的汽车零件(不起眼的座椅支架)重新设计为一个不锈钢件,而不是八个。这款软件为座椅支架生成了 150 多种设计选项,用于将座椅安全带紧固件固定到座椅上,并将座椅固定到地板上。新设计的部件要比以前的支架轻 40%,强度提高 20%

因为衍生式设计没有先入为主的条条框框,只需知道性能标准,所以这里有无限的创意空间。采用衍生式设计最终拿到一个单个部件并不稀奇,而工程师用以前的方法可能要依赖无数个部件组装而成。


衍生式设计和铸造

在金属铸造(将热金属倒入负空间以形成特定形状)领域,特别是在涉及大型和/或重型合金块时,增材制造技术仍不够先进,而且无法完全取代传统方法。增材制造在金属铸造工艺中确实可以发挥一定的威力,但目前它仅用于原型设计,尚未进入实际生产。

衍生式设计可在降低成本和减轻重量方面为金属铸件提供巨大优势。当日积月累的节约发展到一定的程度,或者原材料的成本非常昂贵时,对原材料的节约便成为铸造的关键,因为制造商通常会生产更多的产品。

例如,欧特克与总部位于密歇根州的铸造厂 Aristo Cast 联手,开发了一款超轻型飞机座椅框架。该团队使用衍生式设计、3D 打印、晶格优化和熔模铸造,最终打造出比当前典型模型轻 56% 的座椅框架。对于一架有着 615 个座位的空客 A380 飞机而言,这意味着每年可节省 100,000 美元(折合人民币 636,100 元)的燃油,同时也能减少 140,000 多吨的碳排放。

增材技术还可以生产实际的金属铸模,从而产生比铸造更复杂的几何形状,而无需过长的设置时间和成本的增加。


衍生式设计和数控机床

在过去十年中,人们对桌面 3D 打印机产生了浓厚的兴趣,但尽管增长速度惊人,增材制造远没有颠覆重型制造业中根深蒂固的加工技术。

衍生式设计引入制造领域的新原则之一,是可在更复杂的结构中完成更深层次的细节,而这些功能是工程师原来无法得到的。那么,当传统的数控制造能力无法满足生产时又该怎么办?

不用担心,对付这种制约条件正是衍生式设计所擅长的。具体的工作方法是将每个设计、性能、重量、材料和制造参数以及工业减材加工和铣削对制造强制的限制条件或保护措施(例如刀具的直径或长度)输入到软件中,从而生成最佳的全套设计理念。

对于狭窄的空腔,三轴数控设备使用通用工具来操作并不适合,然而,类似的五轴设备却表现得游刃有余。不过,虽说五轴设备更为精确,但它需要更多的设置时间。与其他所有业务流程一样,这里有一个权衡取舍的问题。

但在该工艺的设计端,当衍生式设计算法为你呈现若干设计方案时,你可以直接要求该算法对这些选项进行最优化选择。如果你使用的是三轴数控设备,那就无法得到那种极度弯曲的点阵式结构,然而,增材制造工艺则可以把这样的工作做得很好;三轴数控设备也不会为你提供较小孔径的操作,然而,这一工作对五轴机床来说却易如反掌。

例如,总部位于英国的 Evolve MH Development Engineering 希望为其电动超级跑车设计出一个更轻、更经济高效的组件。减轻重量对于电动汽车实现性能和续航里程目标至关重要。Evolve 团队还要求该零件适合 2.5 轴的数控铣。

工程师团队使用 Fusion 360 输入零件要求和参数:强度、刚度和性能等。最终,该团队为电动超级跑车创建的部件要比原始设计轻 40%,并且在创纪录的短时间内完成。

03

通过探索新的设计概念扩展创新

衍生式设计有很多潜在的好处,其中,最普遍和最低调的好处可能就是它可以把创新文化植入整个制造业。许多首席技术官、工程师或设计人员原来对衍生式设计的好处持怀疑态度,但最终却成为这种设计效果的最真诚的宣传者。

由于衍生式设计是在云中运行的,它将使设计师和工程师有机会接触到原来在使用传统方法时可能从未接触到的其他想法和技术。

工业领域的工程师可以与数字设计师一起进行更多的协作。首席技术官可以开始了解力是如何作用于一种物体上的。工厂的现场经理可以看到,计算机能够比个人创造出更好的第一步(或 10 个或 100 个选项)。创新与合作相辅相成。有了衍生式设计,原来一些不可能实现的事情现在正在逐渐实现。

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总部位于芝加哥的自行车零件制造商 SRAM 为自行车曲柄臂制造了一个复杂形状的原型,该原型只能使用增材制造和衍生式设计的组合工序来制造。SRAM 供图。


总部位于芝加哥的自行车零件制造商和创新实验室 SRAM 平时为特别专注的客户群(知识渊博的发烧友)提供零件,这次遇到了一群越野自行车爱好者。该公司为自行车曲柄臂制作了一个形状复杂的原型,而该原型只能使用增材制造和衍生式设计的组合工序来制造。这一案例为人们了解衍生式设计对其他自行车零件的潜在价值提供了理想的测试结果。这一经验激励了该公司对设计、材料和成本方面的新机遇和创新活动展开探索。SRAM 表示,衍生式设计在公司如何对其业务进行概念化方面发挥着重要作用。

另一个例子是 Elevate:现代汽车的 CRADLE 分部和设计工作室 Sundberg-Ferar 的一家合资企业。Elevate 看上去就像科幻电影中的一只友好的昆虫,在它的四条铰接“腿”的末端安装了轮子,可以使用任何四种模式(两种驾驶方式和两种步行方式)的组合移动。从理论上讲,这种方法可以用于大规模的运输任务、救灾活动以及其他任务。

为了这一概念,Elevate 的大量零件都是从头开始设计的,其中许多零件的制作采用了衍生式设计,因而具有极轻的特性。

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由于采用衍生式设计,现代汽车的概念车 Elevate 的许多零件都极度轻盈。


但也许外层空间才是对材料科学的终极考验,因为这些材料必须接受多种严峻的考验:高温、寒冷、辐射、高速粒子的冲击、令人眩晕的加速度惯性,以及地球上任何地方都找不到的其他环境。如果使用的材料可以减轻几克,那么节省的费用就高达数十万美元,所以说太空探索将代表着在保持性能的同时最大程度地减少重量的终极组合。

美国航天局的喷气推进实验室是世界上少有的能在这么严格的限制条件下工作的机构。该实验室使衍生式设计成为了开发重量更小、性能更好的概念性行星外着陆器的理想合作伙伴。

衍生式设计如何超越拓扑优化


人们很容易将衍生式设计与其他设计优化方法(如拓扑优化)相混淆,其实,两者之间存在着很大的区别。事实上,采用传统方法制作的任何设计都只是工程师对如何解决问题的尽力猜测。拓扑优化能够发挥作用是在工程师完成某一设计之后,它要利用人类已经取得的进步,逐渐地改善原来的设计结果。

而衍生式设计始于这些过程的早期。你首先把希望你的设计能做什么工作告诉软件,然后再把限制条件告诉它。在此基础上,软件提出方案,而不是根据你认为可行的方案(无论你多么有经验)提出想法。再简单一点说,拓扑优化从原始解决方案中删除材料,而衍生式设计则不需要一个原始的解决方案,它会通过探索来帮助你找到一个解决方案。

优化途径无需从某单一起点契合;你可以回到任何其他起点,生成无数其他选项。

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美国航天局的喷气推进实验室使用了衍生式设计,开发出一种重量更小、性能更高的概念性行星外着陆器。


衍生式设计在制造业的发展前景如何?


通过科研机构、初创公司和其他创新途径,衍生式设计的设计技术还在不断进步。这些进步也将改变人类与技术以及彼此之间的交互方式。在不同的学科之间(如工程师与首席技术官和设计师之间)将有更多的协作,在生产制造领域也将有更多的创新。


更快和更智能的技术

有一项涉及汽车、航空航天和体育产品的研究发现,衍生式设计将成本降低了五分之一,同时将重量和开发时间也降低了一半。

但除了降低全球制造业的成本、材料、开发时间和环境影响外,实验室、专注的初创企业和研究机构也在取得实质性的进展。

其中的一个例子是,衍生式设计已经将高级流体动力学纳入考虑的范围。在许多工业零件运行的环境中,液体或气体的运动会对零件的性能产生重大影响。

当把性能基准和设计参数输入到衍生式设计的算法中时,将来可能会有一个参数成为即时环境的行为方式,使用的属性如下:

  • 空气压力的升高是否会引起温度的升高?
  • 是否会快速冷却?
  • 与其他表面相比,空气的流动是否会影响到某个特定的表面?


除了流体力学外,小规模的增材制造和 3D 打印等技术还将大大降低新玩家进入该领域的门槛;他们将带着新的想法进入,而不会对可以做什么和不能做什么有任何先入为主的条条框框。

随着技术的不断进步,衍生式设计带来的最重要的变化之一将会是对人类的影响。衍生式设计作为人工智能在制造领域中的一种表现形式,将从根本上改善制造人员面临的任务。由于开发时间变得更短,设计师和工程师将有更多的时间用于扩展他们的专业水平和创意视野。

作者:DAN MILES

注:文章来自由欧特克支持创立的 Redshift China