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衍生式设计正在改变制造业

生产制造中可运用衍生式设计来探索设计概念,从而提高产品性能、降低成本、推进创新。
  • 衍生式设计是一种机器学习技术,可以根据输入的参数生成多个解决方案。
  • 衍生式设计因能设计出独特的自然的形状而闻名,但其真正的超能力在于既能保持物体的强度,同时又能大大减少所需的材料。
  • 实际中的应用包括用于高级机器人、航空航天部件、汽车部件,以及轻量化的精密的建筑结构、定制产品和产品售后改进。

衍生式设计可以根据项目的要求来快速地评估无数个设计方案,排除不太好的设计、选出最佳设计,从而可加快设计过程。

它是一种机器学习技术,能够理解所输入的工程要求,并根据这些参数提出最佳的设计思路。通过对衍生式设计算法提出质量、强度、灵活性或其他性能指标方面的限制性的要求,系统可以生成许多满足这些标准的迭代方案。

衍生式设计在设计和制造业中特别有价值,因为它有助于更快、更经济地构思或调整设计。这也是该行业中自动化生产制造的一种新方式。

在生产制造中运用衍生式设计

长期以来,制造业中普遍采用铸造、注塑模具、车床和数控设备等方法和设备来进行设计。在某种程度上,由于当前工具和产品中存在的物理限制,这已对设计造成一定局限。

而衍生式设计为制造业提供了探索产品和零件设计的另一种工具。通过与增材制造、多轴加工和注塑成型等其他技术相结合,它可发挥出无与伦比的潜力和能力。

结合增材制造技术,可以先试用试验性材料快速地制出产品原型,并加以改进、完善,然后才将其投入实际生产。

在注塑成型或铸造方面,为要生产的零件和结构选择金属和合金材料时,最重要的是找到质量和强度之间的平衡点。

借助3D打印原型等低成本的开发技术,重新构思、设计生产线中的某个零件或工具,可以改善原有的工作流程。

衍生式设计以模仿自然的、骨骼似的形状而闻名,但这不仅仅是为了外观好看。这些受自然启迪得出的形状蕴含着很巧妙的设计策略,既能保持物体的强度,同时又能大大减少所需的材料。在大规模地进行铸造(如金属铸造)时,可以节省大量成本。

当与增材技术和传统的制造方法相结合,衍生式设计可以设计出比以前更大、更复杂的物体。

传统制造方式中通常组装多个零件,就可能使产品强度降低。而衍生式设计可优化产品结构,可能减少所用材料,还可以分析、寻找替代材料,从而提高产品性能。

衍生式设计的优势

衍生式设计不仅成本效益较高,还可助您工作得更好,以多种或显而易见、或出人意料的方式让设计和制造工作受益。采用衍生式设计可有以下优势:

降低成本

以设计一个简单的金属或塑料部件为例,衍生式设计的优势在于可在数控制造或铸造工艺中使用更少的材料,同时还能保持结构的完整性和强度。

将衍生式设计和增材制造相结合,可更快地制作出最佳设计方案的原型。时间就是金钱,这就意味着节省更多成本。

此外,如果在生产阶段将其与当今使用的更智能、更快速、响应更灵敏的新一代制造机器人相结合,衍生式设计也可节省成本。具体来说,衍生式设计对于优化机器人末端执行器(机器人手臂末端与环境互动的装置,例如铣刀或油漆枪)已产生早期影响,因而可让机器人单元的有效载荷效率更高。

引入衍生式设计后,许多现有工艺(包括增材制造、数控铣削和铸造)的效果会更好。

提升性能

除了去除不必要的材料之外,还可以换一个思路来考虑,将现有材料重新排序,或重新组装成新的形状,或者可以使用完全不同的材料,既让物体仍然保持原来的基本形状或尺寸,同时还能让它的性能更好。

让创新更好、更快

衍生式设计并不是取代人类设计师,而是帮助他们。它就像个技能高超的实习生,会提出一些建议,引导设计走上新道路,在项目中各方面发现新做法。

整合零件

通过衍生式设计,可将多个组成部分综合运用到单个零件中,从而降低装配成本、提高效率并简化供应链。

有助保护环境

将衍生式设计与增材制造相结合可减少生产过程中的浪费;可减少制造设备的工作量从而提高能源效率;可使用更少(或更可持续)的材料,但同时获得更好的产品性能。

可持续制造已深深融入衍生式设计技术的 “基因”之中,有助于促进绿色制造和循环经济等概念的实施。

衍生式设计的实际应用

衍生式设计正在为生产制造的各个行业带来改变,有些公司在开展衍生式设计的试点项目,有些公司已在围绕衍生式设计重建整个业务模式。

丰田公司采用衍生式设计,让座椅更轻、更薄。丰田供图。

丰田的轻量座椅骨架

汽车行业的设计充满矛盾,因而很有挑战。汽车既要坚固、但又要轻便,既要有足够硬度、但又要能吸收冲击,并且要具有可持续性,尽管燃油是有污染的。

由于汽车非常复杂,有无数的活动部件,因此也具有从衍生式设计中受益的独特潜能。

你可能想象不到,座椅框架的设计可以发生那么重大的变化——它们需有足以支撑成年人体重的强度。然而,随着新车型不断增加电子控制、加热和其他功能,座椅变得更大、更重、更复杂。

日本丰田公司决定采用衍生式设计,从而让座椅骨架更薄,让车内腾出更多空间。设计的结果非常好,以至丰田公司打算也用这种方式来重新考虑其他组件的设计。

第二代机器人

Roboy人形机器人是先进的第二代机器人,是以世上最令人期待的未来技术之一“机器人助手”而开发出的试验性产品。

第二代Roboy可以说话、握手、播放音乐、骑自行车。2019年,他甚至在慕尼黑街头的贩卖车上卖过冰淇淋。

在制造人形机器人时,设计人员通常会仿制辅助人体运动的系统(肌腱、关节、肌肉等),用电机、伺服系统、执行器、电池和电缆来仿制。Roboy身上有些组件是用衍生式设计来制造的,这种设计方法结合了多种元素并减少了所需的材料,所以既能保持敏捷性,又能降低整体重量。

家具设计中的美学与技术

法国工业和建筑设计师Philippe Starck富有开创性,他与欧特克公司和意大利家居配件和家具制造商Kartell公司合作,通过人工智能和衍生式设计,创制出一个非常引人注目的椅子,命名为A.I

在合作中,先由Starck概括出美学方面的参数,然后由软件专家设定能满足Kartell公司注塑制造工艺的约束条件,然后通过衍生式设计算法进行一系列设计,最后由Starck及团队进行调整,使其更接近他的设计构思。

可预防灾难性的运动损伤

为预防脊髓损伤,奥地利运动安全设备制造商Edera Safety公司的工程师和设计师通过衍生方式设计出一种专用支架,能在快节奏、高冲击力的运动环境中随身体而移动。

由于人体运动中的变量太多,动作太复杂,有时甚至相互冲突,所以设计过程非常复杂。在用测试模型进行现场实际测试之前,不可能知道支架上承受着多大力量、旋转或破坏。

只有通过支架原型了解其行为方式和参数,反馈到衍生式设计算法中,Edera公司才能获得完美的产品。

MJK Performance公司的上部三重夹具图示。衍生式设计减轻了该零件的重量,同时也可评估采用不同材料和制造方法的利弊。MJK Performance公司供图。

让摩托传奇进一步提升

有些摩托车发烧友尝试改进一些世上最具标志性品牌的车型、提升性能。但他们的需求通常是定制的,并且市场规模非常小,以至于这些品牌——即使拥有全球水平和高度严格的装配线生产流程,也不可能满足所有这些需求。

而一家定制摩托车零件制造商MJK Performance公司的加拿大商店,则致力于服务哈雷戴维森的售后改装客户群,该群体规模很小、但很忠诚。

创制替换零件以提高摩托车性能,这任务比 MJK 团队预想的更具挑战性,直到他们采用衍生式设计才很好地解决问题

给衍生式设计系统提出要求后,产生了一系列选项,然后不到半小时就调整好数字模型,以符合哈雷戴维森独特的美学风格。

生产制造的未来

得益于一种“锁步”方法,衍生式设计的应用越来越普遍、越来越成功。

对机器学习的研究和训练方法不断推动该软件的发展。早期的软件采用者正在实际应用中测试设计结果,从工业物联网(IIoT))等系统得出极具价值的数据,再反馈到研究中,从而进一步增强该技术的力量。

这是个很好的例子,证明自动化可如何促进新学科和新技能,发展出新型的工作岗位,而不是取代制造业原有的岗位。

除了改进衍生式设计外,该技术还加速了工业4.0的发展,设计师和工程师与软件进行的交互比以往任何时候都更多。

它还将推动材料科学的发展。例如,众所周知流体动力学难以通过计算来建模。然而,有些研究实验室正在将数据输入到衍生式设计的算法中,就可更好地模拟流体行为,帮助工程师和设计师创制出更好的、在液体或气体中工作的组件。

衍生式设计最重要的影响之一是降低制造业对地球的影响。一项关于汽车、航空航天和体育用品行业的研究发现,通过衍生式设计可减少材料用量多达一半。

衍生式设计还可降低小型手工制造商的进入门槛,可鼓励创新,从而提升生产制造业的整体艺术水平和科学水平,并改进生产制造的方式。

本文已更新。它最初于 2019 年 9 月发布。 Rosa Trieu 和 Dan Miles皆对本文有贡献。

Rosa Trieu 是美国旧金山的一名技术类作家、记者,致力于传播信息。

关于作者

Drew Turney自幼立志要改变世界,但长大后他意识到,记录别人改变世界的故事更容易些,因而从事技术、电影、科学、书籍等方面的写作。

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