面向制造业的衍生式设计
工程师和设计师可以用来处理给定的设计问题的时间、资源和精力是有限的，很难充分探索所有可用的设计和制造方案。
由于这些约束，他们往往对先前使用经过验证或正在使用的预制加工方法创建的设计解决方案进行启发式、渐进式、增量改进。因此，零部件常常被过度设计以满足性能标准，对现状的改变很少，这使得创新和实现差异化变得困难重重。
衍生式设计是一种新的颠覆性技术，有望颠覆当前设计和工程现状。设计师或工程师不再受其想象力、以往设计历史或过去经验的限制。
1. 使用衍生式设计解决设计挑战
衍生式设计使您能够探索多种解决方案
衍生式设计是一种设计探索工具，它使用人工智能和机器学习，根据真实设计目标、产品性能要求和制造约束同时生成多种解决方案。
与当前的产品 开发方法相比，衍生式设计 提供了多种前期 制造感知解决方案， 帮助您更快地进入市场。
Fusion 360 中的衍生式设计可以提供数百种设计备选方案以供考虑和权衡，其所用时间比人类开发和评估 1 到 2 种备选方案所用的时间还短。衍生式设计的价值在于，它能够根据一组特定的设计约束，为设计团队提供更多潜在的制造感知解决方案，从而节省时间并提供他们原本无法想象或考虑的方案。
Crown Equipment 工业设计总监 Paul Magee 表示，衍生式设计能够“...从早期设计中汲取意见，快速解决复杂的工程挑战，减少所需的 FEA 迭代次数，最终缩短上市时间，提高产品性能...”。也就是说，其范畴仍然是工程师利用自己的实际经验评估设计备选方案、筛选备选方案以及根据实际情况选择最佳解决方案。
衍生式设计使团队能够在更广泛的设计备选方案中做出明智的权衡决策，选择最佳结果。也许它就像成本/重量分析一样简单。但是，在大多数情况下，需要考虑多个变量，例如机器生产计划、材料可用性或影响关键业务目标的其他因素的组合。
将可制造性集成到衍生式设计流程后，可以使用现有的增材或减材功能制造选定的设计结果，从而避免与制造部门来来回回进行耗时的往复工作，在更短的时间内实现创新设计和工程解决方案。衍生式设计不仅仅是在工程师的工具箱中占据一席之位的新技术。对于已经开始探索其价值的公司，已经有一些经过验证的应用，其生产方式带来了显著的投资回报。
2. 利用衍生式设计推动数字化转型
为了增加新的价值、提高美观性、改善用户体验和/或降低制造成本，设计师和工程师如今面临着评估更多设计备选方案的压力。由于时间的制约，开发和验证设计概念的现有流程通常只能探索少数可能的方案。衍生式设计可同时生成多种可能的设计备选方案，正在颠覆这一流程。
利用衍生式设计提高创新能力
衍生式设计利用人工智能、高级仿真和远程计算，通过简单地指定设计、性能和制造约束，实现了快速生成数百种潜在设计备选方案的新方法。
衍生式设计帮助德国重型设备制造商 Claudius Peters 减轻了 Clincer 冷却器某些零件的重量。图片来源：Claudius Peters
基于设计和工程输入，衍生式设计可返回一组范围广泛、经过验证的设计概念以供审查。使用这些变量快速评估“假设情况”，并通过更改材料和预制加工流程来分析权衡，以快速迭代和收敛最可行的方案以供选择。
衍生式设计使公司能够迅速加快设计工作流，进入生产，并将产品推向市场，其速度是无法想象的，即使拥有庞大的工程师团队也是如此。
以 Claudius Peters 为例，这家公司为水泥、煤炭、氧化铝和石膏工厂生产加工设备。他们的创新目标是降低成本和减轻加工设备零部件的重量，并更快地实现这些目标以缩短设备交付周期。
为了实现创新目标和压缩工程时间，他们开始采用 Scrum（一种利用专注的、授权的团队的敏捷工程实践）和衍生式设计。在第一个项目中，结果让团队大吃一惊；衍生式设计生成了团队从未想到的结果。在满足所有性能约束的前提下，根据制造方法的不同，设计的重量可以减轻 20-60%。
另一个创新目标是降低成本。衍生式设计的拓扑只能进行 3D 打印，无法实现所需的生产量。衍生式设计概念被用作模板来重新设计最终的设计，以实现更实惠的传统制造工艺。铸造工艺需要额外的材料。即使添加了材料，最终设计仍然减轻了 30%，降低了零部件的成本。
使用衍生式设计改善产品性能
轻量化或材料优化可以改善产品的性能状况，并且可以通过减少设计中使用的材料量来降低产品成本。轻量化计划在汽车和航空航天行业中普遍存在，在这些行业中，即使是质量的微小减少也能显著节省燃料成本。
Briggs Automotive Company (BAC) 利用衍生式设计为 BAC Mono 重新设计了车轮，并将重量减轻了 35%。图片来源：BAC。
典型的轻量化计划从现有设计开始。在一个高度迭代的（手动或自动）过程中，从非关键区域中去除质量，然后验证结构的完整性和性能，直到对结果满意或时间用完。
进退两难的处境是，这个过程可能只是优化开始时的次优设计，而不是从头开始重新构想设计，并探索以前没有考虑过的替代设计解决方案。
衍生式设计提供了真正的白纸法来开发设计备选方案以供评估。衍生式设计返回数百种新的设计备选方案，所有这些方案都可以满足预设的设计和性能约束。更为重要的是，可以对比受增材制造和传统制造方法约束的设计。
衍生式设计为增材和减材制造提供了约束。可以评估制造过程，以确定设计是否更适合增材制造，即减轻的重量或带来的性能优势是否超过传统制造方法的低成本优势。
由于减轻重量对于提高性能非常重要，Briggs Automotive Company (BAC) 利用衍生式设计为 BAC Mono 优化和制造新车轮，BAC Mono 是一款可在街道行驶的赛车。设计师首先指定了所需的性能约束、材料（在本例中为铝）和所需的预制加工方法，即 5 轴 CNC 铣削。
衍生式设计返回了大量满足设计目标的迭代方案。选定的设计重约 2.2 千克（4.8 磅），较之前版本的车轮轻 35%。还有一个额外好处，即它可以在数控铣床上以传统方式制造，并符合在英国认证的结构要求。
通过衍生式设计和批量定制赢得更多业务
在所有行业中，对定制产品和服务的压力和需求都在不断增长。传统制造方法难以满足这种需求，并导致生产成本增加，生产时间延长。
Perceptive Sensor Technologies 采用衍生式设计和增材制造来支持新产品计划的批量定制战略。
批量定制战略需要结合考虑定制产品的灵活性和个性化以及接近批量生产的单位成本。遗憾的是，批量生产的现有设计和预制加工实践过于缓慢和繁琐，妨碍了响应客户对定制产品要求的能力，并限制了扩展能力。
衍生式设计方法简化了设计流程，对于制造领域中可实现批量定制的下一次革命至关重要。衍生式设计不是让工程师或设计师在 CAD 中完全定义每个定制产品，设计师只需简单地指定作为产品约束的内容，包括用途、功能、性能和空间要求。然后，衍生式设计引擎根据输入条件自动创建设计方案。此外，增材制造消除了模具成本、模具交付周期以及与生产转换相关的时间和成本。衍生式设计和增材制造将共同促进通过产品个性化和定制实现价值的产业转型。
Perceptive Sensor Technologies 致力于制造超声波硬件设备，这些设备用于在封闭环境中测量流体，最近，该制造商采用衍生式设计和增材制造来支持新产品计划的批量定制战略。
为了开发新的可定制手持式设备，Perceptive Sensor Technologies 与 Penumbra 合作，后者是一家专门从事衍生式设计和增材制造技术应用的产品开发公司。在这个项目中，选择了一些参数，这些参数优先考虑最小化质量，并平衡设备的重量，以方便使用和符合人体工程学，同时最大限度地增加刚度以确保耐用性。借助衍生式设计，Penumbra 团队快速探索了这一复杂挑战的各个方面，进行了多项研究，以确定可以使用增材制造进行生产的设计解决方案。
Penumbra 团队制作的设计超出了预期，带来一种全新的超声传感设备，可提供客户期望的精度和耐用性。此外，增材制造预制加工流程需要很少的前期投资，可以灵活地定制传感设备以快速满足新客户的小众市场需求。
3. 利用衍生式设计提升效率
每个设计项目都有一个必须达到的成本和可制造性目标，以确保产品盈利能力。降低目标成本和产品毛利率增加成为大势所趋。推出没有达到目标的产品可能会造成损失。
衍生式设计打破了产品设计和制造约束之间的数据孤岛
由于产品开发流程的顺序性，许多决策的制定往往无所依据。关于可制造性和预制加工的决策通常会推迟到设计流程的后期，届时，项目的主要方面已经锁定，从而可能迫使生产走上成本高昂且不太理想的道路。
衍生式设计简化了产品设计师、机械工程师和制造工程师之间的流程。
自 20 世纪 90 年代初以来，消除导致职能孤岛（每个职能部门“各管一摊”）的传统串行流程的战略就已出现。
无论是称为“并行工程”还是“可制造性设计”，其目的都是相同的：考虑设计决策对制造流程的影响，从而更好地管理时间和成本权衡。
此外，如果可以在产品开发流程中提前做出这些决策，由于变更成本大大降低，可提高达到成本目标的概率，降低延迟风险，并更早地向制造部门发布产品。
虽然推出了新技术，规划了新的决策图表和流程，但是，与其他任何重大转变一样，这不仅仅涉及技术和流程。要采用这些战略，还要求人们接受重大的文化变迁。由于变化的多样性、学习新系统、学习新流程以及跨部门协作和决策制定的新层次，文化变迁成为实现并行工程的最大障碍。当面临交付结果的压力时，许多实施此战略的公司重蹈覆辙，退回到现有的顺序执行流程。
随着衍生式设计的出现，文化变迁现在不再是一个障碍，因为过去人们需要的许多流程和技术变革现在已经通过人工智能实现了自动化。衍生式设计技术将 DFM 流程简化为最基本的要求：指定考虑现有制造流程的设计目标和约束。远程服务的智能算法和近乎无限的计算能力可处理其余问题，返回数百个经过验证的设计方案以供审查，从而在产品开发流程的早期做出更明智的权衡决策。
衍生式设计打破了产品设计师、机械工程师和制造工程师之间的孤岛，将他们联系到一起，制定所需的设计和制造约束。然后，从衍生式设计引擎返回结果时，他们可以作为一个团队在设计流程的早期做出明智的权衡决策。制造约束在生产周期的早期评估潜在预制加工流程的可行性，在此阶段，这些数据对选择最可行的生产途径产生的影响最大。其结果是：更快、更敏捷的产品开发流程，增加了创新，缩短了上市时间，降低了成本，简化了生产流程。
衍生式设计使您能够整合零部件
短期或定制的零部件通常设计为焊接或冲压的子部件，然后使用紧固件装配而成这些部件。理想情况下，工程师宁愿设计一个满足设计要求的零部件，也不愿将其分解为多个单独的子零件，这会增加复杂性，必须经过验证而且需要进行装配。
General Motors 使用衍生式设计和增材制造，将八个不同的零部件整合到一个 3D 打印部件中。图片来源：General Motors。
挑战在于，那些可以将零部件设计简化为单个零件的工艺（例如锻造、铸造或成型）的模具和生产成本在低产量情况下缺乏成本效益或合理性，还有就是模具的交付周期很长。
还有一些隐藏成本可能已被考虑，也可能未被考虑。权衡的结果是，避免使用模具所节省的初始成本在一定程度上被由此造成的商品负担成本上升所抵消。这包括增加将子部件分解成多个零部件以实现功能的工程时间、增加所需的装配量、零件数量增加的成本、零件规格的工艺成本、采购和 BOM 表、增加零件库存和维护成本。
一般规则是，大多数美国公司对所生产的任何给定产品都会预留 9-15% 的商品负担成本。
在某些情况下，这些零部件的预制加工和装配会外包出去。公司外包产品制造和生产的这种趋势有时会让 OEM 制造商受制于其供应链，而供应链可能变得复杂和难以管理。
此外，在设计和制造过程中，设计和工程团队花费在上游供应商的时间以及下游其他职能部门的时间非常多，增加了商品负担成本。
General Motors 与 Autodesk 合作，使用衍生式设计技术重新设计了新座椅支架并优化其功能，这是一种将安全带紧固件固定到座椅的标准汽车零件。典型的座椅支架由八个焊接在一起的部件组成。衍生式设计工具提供了 150 多种可能的设计解决方案。利用衍生式设计技术生成的座椅支架由一块不锈钢制成，而不是八块，比原来的支架轻 35%，坚固 20%。
衍生式设计帮助减少 CNC 加工
衍生式设计帮助减少 CNC 加工，使用昂贵的高科技合金钢坯进行 CNC 数控加工生产的小批量零件比用锻造、冲压、铸造或模压等方法生产的零件更具成本效益，不过这一过程会产生过多的废料。
衍生式设计通过根据设计和性能目标最大程度减少所需的拓扑、内部结构和质量，将材料利用效率提升到更高的层次。
可以利用衍生式设计和增材制造方法来提高这些应用的运营效率。 衍生式设计通过根据设计和性能目标最大程度减少所需的拓扑、内部结构和质量，将材料利用效率提升到更高的层次。
增材制造能够在预制加工过程中更高效地利用原材料，其所浪费的材料比 CNC 数控加工要少得多。
此外，工程师不再需要考虑在可用的传统工艺和工具的能力和限制范围内设计零部件几何形状。
增材制造能够预制加工具有不易加工特性的近净形零件，提高设计复杂性而不增加制造成本。最后，增材制造更容易扩展，消除了 CNC 数控加工所需的模具和生产设置步骤。
在航空航天业中，一些公司正在测试边界，并利用增材制造重新思考火箭发动机设计。他们将晶格结构集成到发动机壳内部，增加了散热，使发动机均匀冷却。
Relativity 开发了一种名为 Stargate 的大规模增材制造系统，该系统能够生产最大 20 英尺高、10 英尺宽的零件。Relativity 表示，Stargate 将能够制造他们正在制造的名为 Terran 1 的火箭上 95% 的零件。
Stargate 增材制造系统具有很高的成本效益，因为构建过程可以整合零部件，并生成传统制造成本高昂的复杂特征，从而使火箭系统的零部件数量减少 100 倍。
此外，预制加工流程要快得多。Relativity 声称能够在短短 60 天内制造出一枚火箭。
总结
今天，衍生式设计有更多的机会获得可量化的投资回报，通过增材制造和/或 CNC 方法为小批量、短期和定制的零件提供了可行的生产方法。此外，希望获得衍生式设计优势又不承担增材制造成本的公司可以将衍生式设计作为一个很好的起点。Claudius Peters 演示了如何利用衍生式设计启发出大批量零部件的新型及改进零件形状，然后可以进行逆向工程以使用传统制造方法进行生产。
Autodesk 衍生式设计使设计和制造的融合成为现实。并行工程第一次可以真正地作为一个技术增强的自动化流程而实现。衍生式设计使您的团队能够根据实际制造约束生成多个 CAD 设计方案。Autodesk 衍生式设计具有增材和减材约束，可输出能被各种 CAD/CAM 系统读取的可编辑几何图形数据。
增材制造时间和成本继续呈下降趋势；当它们低于特定阈值时，各种新业务模式将变得可行。在不远的将来，将会有一个转折点。大规模生产的增材制造成本不仅变得合理，而且还将保持竞争力。与任何转折点一样，这种业务环境会迅速造就一批颠覆市场的制造商和自身业务发生颠覆性转变的制造商。引领这一潮流是当今具有前瞻性的公司义不容辞的责任。通过开始探索当今现状以及当转折点发生时未来可期的结果，借助衍生式设计和增材制造，未来新兴公司可使用既有的经过验证的流程、方法和实践，迈向成功。
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