从大自然的蚂蚁和树木获得灵感，创成式软件构建面向未来的设计
时间:2021-06-27 08:41 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
在设计航空航天或汽车部件时，此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议，但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计，不过这一切已经不是梦想，实际上已经在做了。此前，空客已投产的仿生学机舱隔离结构就来源于创成式设计结果。该结构是采用高强度轻质铝合金材料与粉末床激光熔化3D打印技术制造的，用于空客A320机舱中，起到分隔客舱与后部食品准备区的作用。本期，一起来领略创成式设计开启的未来制造能力。
创成式带来的新世界 Autodesk Fusion 360内置的 Project Dreamcatcher 和 Desktop Metal 的 Live Parts，以及nTopology 是目前创成式设计软件的典型代表。
开发人员透露，创成式软件中的创成算法部分受到蚂蚁如何使用信息素相互发送信号以及植物细胞如何吸引阳光以获得最佳营养的启发。开发人员指出，人们经常将创成式设计的输出描述为“仿生学”，这是因为有些算法具有与自然界的相似性。 仿生学和创成式设计之间的真正联系是一些软件如何利用自然界中发现的逻辑来获得其中算法的奥秘。 仿生学不是复制自然形状，而是复制自然解决问题的方法。
Live Parts 是 Desktop Metal 专注于增材制造的创成式设计软件，Live Parts 背后的一种算法是受到树木的启发——不是真正的树木，而是由类似体素的细胞构成的数字树。 Live Parts的部件是由自然激发算法驱动，这些算法会导致零件自动增加和适应，并且基于它们的功能和环境进行调整。它由一个图形处理器加速的多物理引擎驱动，Live Parts在几分钟内从单个构造中变大，并自动产生设计文件。这使用户能够迅速认识到人工智能制造的全部潜力，包括材料和成本效率。
© Desktop Metal 大自然的很多材料具有很强的适应性，而人造材料则不然。钢始终致密；陶瓷易碎，塑料有弹性。由这些制成的零件在整个过程中都表现出源材料的属性。另一方面，大自然中的很多物体出于多种目的在不同区域表现出适应性密度、弹性和脆性（例如肌肉、静脉和骨骼的组合）。 这驱动着设计者探索如何将大自然的材料在弹性、密度和脆性方面不断变化的能力引入到产品的设计中来。而这将使得未来，人们对具有微观转变的材料产生浓厚兴趣。 Desktop Metal 的 Live Parts 软件开发人员研究了植物细胞如何对外部刺激做出反应，比如来自光的化学物质。让部件中的细胞对压力和应变做出反应，然后产生额外的细胞，称为子细胞，建模过程就像自然界的细胞生长，从一个细胞开始，将它培育成一个胚胎，胚胎生长成一个有机体，随着它不断增长，它将实时适应环境。
Live Parts是由一个加速的、多物理引擎驱动。这给Live Parts提供了模拟过渡动力力量的独特能力，比如高频振动和低频振荡，以及自动生成的部件。这些部件能够实时地生长和适应这些变化的力量，就像真实世界的生物在不断变化的环境中成长一样。其结果是，这些部件的压力都非常均匀，材料效率高，强度高，重量轻。 Desktop Metal 一直专注于基于金属的 3D 打印，但今年年初，Desktop Metal 发生了巨大的变化。该公司以 3 亿美元的现金和股票交易完成了对 EnvisionTEC 的收购，EnvisionTEC 提供光敏树脂、陶瓷和其他材料的 3D 打印机。 为什么收购EnvisionTEC？根据3D科学谷的市场观察，EnvisionTEC是数字生物制造增材制造领域的先驱，其 Bioplotter 平台支持生产用于医疗应用的生物相容性部件，如骨再生、软骨再生、软组织制造、药物释放和器官打印，这或许是Desktop Metal 通过其Live Parts 软件无缝跨界到更宽的应用领域的一个有利桥梁。
将创成式设计与制造无缝结合，此前，欧特克就发布了创成式设计的2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。这使得Fusion 360用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。 通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计和可制造性都是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，而欧特克近日发布的关于创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。 除了可以直接访问Fusion 360基于云的创成式设计，高级仿真模拟和高级CAM功能外，欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。
在 Autodesk Fusion 360 的案例中，创成式设计的想法受到仿生学中自下而上的方法的启发。令人着迷的是，有一个算法来自“白蚁巢穴，以及白蚁使用信息素相互发送信号的方式，开发人员创造了压力或信息素梯度，核心方法非常简单，但结果却很复杂。
Autodesk脊柱植入物创成式设计技术，灵感来自白蚁使用信息素相互发送信号的方式© Autodesk 有了这种受自然启发的逻辑作为其创成算法的核心，创成设计程序必然会不时创成有机形状，以不对称和复杂的表面为标志。但目前的制造方法无法与大自然所创造的奇迹相媲美，这使得创成式设计软件本身还有着很多进化的空间。 譬如大自然中的人体，人体是单一的组件来促进流体流动和交互结果，而这在航空航天领域也有类似的活动。那么未来或许创成式设计还可以进化到如何结合流体流动和结构功能，虽然这在创成式设计中目前还不是主流。 欧特克的开发团队已经在研究框架创成系统，这些系统可能在未来用于商业发布。
nTop是用于高级制造中的设计和仿真的计算建模平台，nTop的驱动方法将设计，仿真和制造知识统一起来，实现了自动化，从而使工程师可以拥有更大的设计自由度并改善工作流程。
nTopology (nTop) 的开发始于鸟骨，当时的创始人希望编写一个算法来拓扑地模拟这种结构。 CAD 建模程序通常使用 BREP（边界表示）来描绘用于生产的零件。但该方法不易适用于有机形状（如人和动物的相貌）。对于这些，3D 建模人员通常求助于基于网格和多边形的软件。这两种方法不能很好地融合，这就是为什么角色动画师通常不会使用 CAD 程序来完成他们的工作。而且网格模型也有限制，尤其是对于复杂的形状，文件大小会急剧增加，从而导致加载和编辑困难。
为了更好的模拟鸟骨这样复杂的结构，nTop 基于隐式建模，这种实现3D 形状的方式比 传统CAD 文件快数千倍，文件更小，而且复杂性不会破坏系统，nTopology 使用户可以完全控制创成工作流、优化过程及其输出的各个方面。创建可重用的工作流，以满足用户的应用程序的独特要求。nTop平台是开放性的，可以与其他软件工具连接。可以与其他计算机辅助设计（CAD），有限元分析（FEA），计算流体动力学（CFD）及其他软件工具直接集成，并实现极快的处理速度。 nTop平台还可以从其他软件中获取设计或数据，并将其用于设计改进或迭代。用户可以轻松地将他们现有的设计或数据导入nTop平台，可以非常快速地执行多物理场分析，并评估性能，稳健性和使用寿命等特性，进一步实现设计优化。 nTop平台还支持通过工业4.0计划以提高数据驱动制造效率的努力。平台的工作流程软件功能可实现流程自动化，消除低价值的手工工作，这些特点还有助于实现数据的无缝传输。 而在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，算法无疑是最重要的部分之一。 *名词解释：2.5轴的工法是用来铣削由袋状区域，岛屿，轮廓外形，沟槽，垂直壁面，平坦面和钻孔加工等工序所组成的弓箭。通常使用在电子零件外壳，精密机械零件，冲床模具加工。 (责任编辑：admin) |
