创成式设计（Generative Design）也称为“生成式设计”或“衍生式设计”，建筑领域的人们习惯称之为“参数化设计”。这种设计方法在最近的十年中在建筑和视觉艺术领域都得到了广泛应用，近两年此方法已经扩展到产品造型设计应用。由于创成式设计与计算机技术的深度结合，各大CAD厂商也看到其在产品结构设计方面的潜力，纷纷推出基于拓扑优化算法的零件级别的创成式设计功能，开始了设计过程的数字化转型。
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。创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”。因为增材制造-3D打印技术可以将复杂的设计转化为现实，而创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。
创成式设计”以及“拓扑优化”GD / TO软件的领先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西门子的Solid Edge ST10。本期, 再分享4个由新兴创业企业开发的创成式设计软件，它们的应用领域不同，但都与面向增材制造的先进设计有着密切关系。
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微课 l《创成式设计方法及应用》
各有特长的增材制造伙伴
Diabatix –热交换设计
Diabatix是一家比利时的初创公司，提供创成式热交换组件的设计软件。Diabatix使用人工智能（AI）来驱动模型生成过程，为定制化的应用提供优化的散热器设计。除了热管理设计解决方案之外，Diabatix还提供针对客户热源、制造方法，材料和尺寸而精确优化的液态冷板。
GPU 3D打印散热器。来源：Diabatix
热设计考虑因素对于制造多种产品至关重要。复杂的产品几何形状使得通用热设计解决方案不足以适用于不同的产品。创成式热设计技术为很多特定问题提供了最佳的冷却解决方案。这些设计使压力损失、热阻和热变形最小化，并使功率、热通量和温度均匀性最大化。
CellCore –仿生设计
骨骼之类的自然结构在支撑大载荷时非常有效，并且还具有其他所需的属性。仿生设计从自然结构中汲取灵感。例如，受鸟翅膀启发创建轻量化设计应用。通过仿生设计技术还能够赋予材料更多的功能。
德国初创公司CellCore 专为零件提供仿生设计方案，使用进化算法根据特定数据和目标参数来迭代优化设计，提供创成的计算机辅助工程（CAE）工作流，从而节省时间和成本。
材料：IN718 镍铬合金；设备：SLM®280。来源：SLM Solutions
CellCore 软件应用领域包括汽车、轨道交通、航天领域的轻量化零部件。例如CellCore与SLM Solutions密切合作，使用镍基高温合金与选区激光熔化技术，成功实现了多功能推力室的一体化成型。在3D打印推力室中，冷却管道是设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型。一体化的火箭发动机，结合喷射器和推力室，将众多的单个部件简化为一个只有通过激光选区熔化工艺才能实现多功能集成的轻量化结构。CellCore公司所开发的内部结构遍布整个火箭发动机，不仅适用于传热，而且提高了构件的结构稳定性。
ParaMatters-多材料设计
ParaMatters是一家美国初创公司，致力于开发基于云的平台创成式设计和先进制造。ParaMatters 开发名为CogniCAD的软件，该软件可提供新零件的创成式设计与现有CAD模型的拓扑优化。除了根据施加的应力自动优化多孔内部介观结构的功能外，他们还公开了一种多材料拓扑优化功能。
铝/钛多材料零件（下图，红色=钛，灰色=铝）。来源：ParaMatters
右1为金属3D打印零件。来源：ParaMatters
CogniCAD的核心是一组专有功能，这些功能基于给定负载和合规性约束的应力分布的有限元分析来分析和优化零件设计。为了进行此类分析和优化，必须将模型离散化为具有小体积元素的网格，这种离散化过程类似于体素栅格化，CogniCAD已经具有向网格元素分配各种材料的功能，并且已经对材料组合的界面强度进行了一些假设。
Hyperganic-体素级3D打印设计
德国软件企业Hyperganic 开发了一种面向增材制造的体素级设计软件，消除了STL文件的设计约束。Hyperganic 通过算法自动生成零件，用于创建复杂功能性的仿生结构。
由算法生成的3D打印火箭发动机原型。来源：Hyperganic/de zeen
图中的3D打印火箭发动机原型正是由Hyperganic 设计的，制造材料为Inconel 718，发动机内部外部的材料密度不同，内部结构非常坚固，而外部为轻量化的多孔结构。
火箭发动机原型3D打印/EOS M 290。来源：Hyperganic/de zeen
设计背后的原理是：通过数学算法进行设计，没有任何CAD模型。3D打印火箭发动机模型是通过数字进化过程创建的，进化过程中的算法将生成数百种变体模型，软件将对这些模型进行物理仿真验证，筛选出最适合的模型。最终得到的3D打印火箭发动机设计，具有与人工设计完全不同的外观。
面向增材制造的零部件往往非常复杂，通过传统CAD软件实现起来变得困难。Hyperganic 通过可在CAD 中浏览的体素级3D模型来解决这一困难。Hyperganic 的商业模式也具有创新性，他们不出售软件，但会为客户提供成功的打印参数，这可能意味着Hyperganic 为客户创建收入共享的模型。
Reivew
很多人以为创成式设计是拓扑优化或程序建模的一个分支。但实际上，创成式设计是一个人工智能驱动的流程，利用云来通过探索成千上万的建模可能性来推动创新设计，而不是简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。
了解更多创成式设计在面向增材制造的先进设计中发挥的作用，请前往文章上方微课，或前往《专栏 l 个性化设计、参数控制变化、轻量化，三大案例看创成式设计的应用价值》，《设计和制造一体化，自动化的承诺始于创成式设计》，《一文看懂影响3D打印的软件有哪些？》。
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