智造•未来
衍生式设计和增材制造是一股强大的力量，它们彻底改变了产品开发，使工程师能够设计和创造下一代产品。这两种方法相互补充。衍生式设计可以制造更轻、更坚固且符合用途的零件，而增材制造则提供了制造这些创新几何形状的可行方法。
然而，增材制造虽然取得了长足的进步，但还没有为大规模生产做好准备。增材技术和传统技术之间存在根本区别，传统制造方法通过去除材料块或铸件来创建所需的形状。这给制造商带来了挑战，即无法使用传统制造技术来制造有着完美产品要求的新颖设计。
幸运的是，还有另一种方式。本文将研究如何使用下一代衍生式设计来克服这个问题，帮助工程师识别和优化传统制造方法以生产创新设计，同时平衡生产加工和产品设计要求。
衍生式设计的价值选择问题，软件使用不同的方法（包括仿生学）生成范围广泛的多种可能设计，创造出极具创新性的产品。仿生学通过模仿在自然界中发现的设计和思路来应对人类挑战，由此产生的设计通常具有有机、自然的形状。衍生式设计有助于找到这些新颖的设计概念，并在详图设计阶段完善和确定成熟的概念。工程师们因此可以提出以前无法想象的、可能会颠覆整个市场和行业的设计概念。
衍生式设计扩展了您提供创新设计的能力。
这些新颖的形状通常几乎没有限制，因此增材制造是生产这些设计的完美技术。但这种设计不适用于铸造和机加工技术，而这些是制造商目前唯一可用的大规模方法。工程师必须将这些设计完全转化为新的形状。但此类转化并非始终可行。即使有可能，转化也需要大量工作，这其中重新利用设计的过程吞噬了工程师本可因使用衍生式设计而获得的任何时间收益，并使创新停滞不前。
下一代衍生式设计可以解决这个问题。它允许工程师探索多种制造方法的不同生产结果，包括增材和减材技术。
减材技术通常定义为 3 轴或 5 轴加工。这两种方法都对产品的设计和所使用的制造技术加以各种限制，例如最小工具直径和长度。各种技术之间存在差异。三轴技术使用常见的加工工具，但通常属于劳动密集型，不适合加工狭窄的腔体。与 3 轴方法相比，5 轴技术通常速度更快，需要的材料处理更少。由于使用了计算机辅助工具，它可以提供更高的精度，但也需要更长的准备时间。
MJK Performance 使用衍生式设计优化用于 2.5 轴铣削的三角轧头。资料来源：MJK Performance
借助下一代衍生式设计，工程师可以设置设计空间并生成对于 3 轴和 5 轴技术都适用的结果，以评估这些制造方法。工程师可以将设置方位与制造方法的方向对齐，并将其与必须保留的几何形状相匹配。这样即可探索不同的设计可能性。例如，如果保留的几何体包含带孔的圆柱体，但轴未与切割方向对齐，则工程师可以评估不同的几何体，例如立方体而不是圆柱体。制造商可以避免最终结果中出现几何间隙，并导出设计以进行进一步探索。工程师还可以克隆衍生模型，而不会影响原始模型及其结果，从而能够重用大部分原始工作。
下一代衍生式设计可以真正提供价值。但这与传统衍生式设计所实现的价值不同，在传统衍生式设计中，工程师会创建使用普通生产方法无法制造的创新设计。如果没有下一代衍生式设计，他们的创新可能都是徒劳的；从生产的角度来看，工程师可能无法提出任何可行的设计。
这个通过衍生式方法设计出的新型 BAC 轮是在 5 轴铣床上制造的。图片来源：BAC。
工程师现在可以添加制造约束作为衍生式设计的输入，从而针对一组给定的材料、操作条件和制造工艺探索许多有效的几何选项。他们可以评估某些制造方法的实用性，例如铣削或 3D 打印，并确定生产加工要求和产品设计要求之间的适当平衡。新一代衍生式设计在整个产品设计生命周期中提供了高度自动化，使公司能够在更短的时间内找到接近最优的设计。这不仅加快了开发过程，而且使工程师能够摆脱重复性任务的沉重负担，专注于优化最终产品及其制造方法。因此，下一代衍生式设计使得公司可以在使用传统制造方法的同时进行创新。
衍生式设计创造了几乎没有限制的创新几何形状，非常适合增材制造技术。虽然增材制造前景广阔，但许多制造商仍然依赖减材生产方法，而且使用现有设施制造这些新颖的设计是不切实际的。为了使这些设计适用于减材制造方法，工程师必须将它们转化为新的形状，这需要时间并会扼杀创新。
使用下一代衍生式设计，工程师可以探索多种制造方法的不同生产结果，包括增材和减材技术。他们可以评估 3 轴和 5 轴技术，避免几何间隙并克隆这些衍生模型以进一步优化工作流。
下一代衍生式设计使工程师能够找出从生产角度来看可行的设计。自动化的使用使他们可以探索特定制造约束下的所有有效几何选项，并快速找到接近最优的设计，加快下一代产品的开发和部署。
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