衍生式设计、原型制作和 CNC 铣削

当您的任务是在内部进行原型设计或建立自己的原型实验室时，您可能会发现需要评估的信息非常丰富。

从功能到成本、空间要求，以及对噪音、振动、浪费和能源效率的担忧，隔离并针对您的运营的特定需求采取行动的能力可能会很复杂。

随着制造业的发展以及衍生式设计等新流程占据中心位置，从而提供更多复杂性需要考虑，这一点尤其正确。

Modern Machine Shop 最近报道称，

让我们详细了解这些前沿发展，以及衍生式设计如何与原型实验室中的 CNC 铣削完美协调。

衍生式设计的起源

从实践和哲学的角度来看，衍生式设计正在颠覆制造的方式——特别是从对自然世界和进化的欣赏的角度来看。

“数十亿年来，进化完善了地球上的动植物物种，摒弃了不太理想的设计，取而代之的是那些能够生存和繁荣的设计，”工业周刊的 Rani Richardson 写道。

为了追求同样完美的过程，理查森问道：“如果进化设计可以用基于科学的方法来模仿呢？如果这个过程可以在几分钟和几秒内完成，而不是几年或几万年呢？”

进入生成式设计，“它使用机器学习来规避进化方法并直接切入最佳形式。”

通过创新将原型投入生产的流程：

由于人工智能和重新构想的设计过程，这种新理念正在获得关注。其核心是，设计过程“通常是一系列简化的改进，在更广泛的范围内查看设计概要并缩小范围，直到找到最佳解决方案。”

人工智能与衍生式设计的整合已经改变了原型设计的完成方式——允许产生比以往任何时候都更多样化的结果。

根据行业周刊：

考虑到这种不可否认的势头，衍生式设计在哪里适合您的制造模型？

衍生式设计对制造商意味着什么？

现代制造业一直受到消费者对更好产品的挑战，这些产品可以比以往更快地投放市场。这种对速度的需求，加上对更好产品的不懈追求，可能会给制造过程带来负担。

进入生成式设计中固有的人工智能优势：“但是，就像许多现代人工智能应用一样，基本概念是这样的：如果你汇集了足够的计算能力，你的网络能够非常快速地完成非常复杂任务的多次迭代。 ”

为了保持竞争力并保护他们的底线，越来越多的制造商越来越依赖衍生式设计作为一种关键策略，它允许“工程师和设计师以更创新和更有效的方式解决设计问题。最终，这缩短了设计和原型制作过程，并加快了创新产品投放市场的时间。”

衍生式设计实际产生了什么？

一个更好的问题可能是，它不会生成什么？

衍生式设计对包括航空、汽车和国防在内的各种垂直领域都有令人鼓舞的影响。

虽然制造业为这种增强的设计思维计划了更多应用，但“今天已经有许多这些工具已经被使用的例子，从椅子等家居用品到汽车底盘和飞机隔板的工业设计。”

对于航空航天和汽车行业，“衍生式设计可帮助工程师实现诸如最小化零件重量、最大化刚度、降低成本和优化材料使用等目标。使用衍生式设计可以将零件重量从使用传统制造的高达 30% 减少到使用增材制造的 70%。”

从消费品的角度来看，我们已经看到通过衍生式设计在市场上推出了一系列高度认可的产品。如果您的原型实验室迎合制造这些产品的客户，那是个好消息。

具体是哪些消费品？

“嗯，使用衍生式设计创建的消费品已经以阿迪达斯运动鞋和 Vitamix 搅拌器喷嘴的形式上架我们的货架，我们应该期待更多产品以体育用品、手机壳和家用电器的形式出现。”

但这只是冰山一角：“衍生式设计可以创造的东西几乎没有限制。衍生式设计以自然设计为基础，几乎是设计循环往复的代表。”

生成式设计对内部原型设计的承诺是什么？

与传统工艺相比，衍生式设计为原型设计提供了更多可能性。首先，衍生式设计使您能够根据设计规范和产品需求来增加您生产的原型的数量和质量。

更好原型的潜力

现在，制造商不再依赖单一的解决方案或原型，而是可以从更高的设计精度中获益，从而获得更强大的客户解决方案：

生成式设计根据设计师设定的标准和目标为产品创建数千种可能的解决方案，并生成通常需要人工开发的几何形状和形式……这个过程确保设计师或工程师能够选择一种能够满足其特定设计最重要目标的设计。

当涉及到战略性、科学支持的解决方案时，衍生式设计提供了更具吸引力的选项，并且“这些选项通常包括人类设计师可能永远不会想出的非常规几何图形——比传统的几何图形表现更好的几何图形。”

从运营的角度来看，更好的原型加上更好的性能等于更好的产品。对于设计师来说，衍生式设计是将人工智能集成到他们的工具集中。因此，允许使用新方法来解决最棘手的设计难题，更重要的是，加快产品上市速度。

人为因素遇上衍生式设计

当然，在制造业或其他行业中，几乎任何提及人工智能都会自动引起人们的关注，即机器人正在取代人类，而生成式设计等流程将很快消除对人力的需求。

诚然，衍生式设计预计将在未来十年内改变制造业格局。

Autodesk, Inc 技术营销经理 Bryce Heventhal 表示，

请注意这句话的关键组成部分：人类工程师。

事实上，“Heventhal 想要强调生成式设计的一件事——它并不是要取代人类工人。相反，他说人工智能是一种有价值的机制，可以将工程师和设计师的能力扩大几个数量级，以测试新设计并将其整合到他们构建的产品中。”

简单地说，“他们仍在做决定，”Heventhal 说。 “我们只是为他们提供更好的工具来做出这些决定。它不会取代工作，而是会增加工作。”

从人类进化的角度来看，这就像追溯早期人类到现代人类的发展以及基本工具的使用和最终的高级应用程序。衍生式设计只是人类利用技术的最新篇章：

“设计思维不会消失，它正在发展以利用现代工具。就像木匠使用电钻而不是手钻一样，明天的产品设计师和工程师将慢慢放弃手工流程。”

平衡复杂性和可制造性

衍生式设计零件的担忧之一是其制造的复杂程度。将生成设计部分描述为“外星人”、“有机”或“怪异”的情况并不少见。

幸运的是，美学远远落后于功能。然而，它确实给制造过程带来了一定程度的复杂性——由于有大量的雕刻表面，创建衍生式设计部件的过程可能很漫长，而且效率低下。

幸运的是，衍生式设计的诞生恰逢制造工艺的进步。最值得注意的是，过去十年中增材制造的进步加速了 3D 打印机的功能，同时降低了成本。然而，也有局限性——尤其是在需要高精度时。虽然这在增材制造领域不断改进，但由于前期和维护成本高昂，目前许多原型实验室都无法实现。

在减材制造领域，5 轴 CNC 加工变得越来越普遍，越来越多的品牌提供功能强大的设备和比以往更多的软件来帮助创建创建衍生式设计零件所需的复杂刀具路径。

然而，与任何事情一样，也有缺点。

由于要求严格的控制，5 轴机床需要操作员和程序员具备更高水平的技能。此外，为了保护 5 轴铣床的投资，通常建议使用第二套软件来模拟刀具路径以检查碰撞。

最重要的是，5 轴机器可能会变得非常昂贵。这是他们设计中固有的 - 每当将轴引入铣床时，都会牺牲更多的工作区域 - 随后，即使是具有小工作范围的 5 轴机器也可能非常大。当需要铣削大型衍生式设计零件时，情况并不理想——毫不夸张地说，在加工成本之前，必要的机器成本可能高达 7 位数。在这种情况下，甚至工具也是专门的，以便能够达到生成设计部分中深层、精细的特征。

虽然有足够的资金可以解决这些问题，但大多数原型实验室宁愿使用他们拥有的工具制造零件，而且他们中的大多数都有 3 轴铣床，而不是 5 轴铣床。幸运的是，Fusion 360 制造商 Autodesk 的团队正在关注这个难题。

在制造限制的情况下，用户可以准确定义他们将如何生产最终产品——无论是使用 3D 打印，还是他们手头的精确 CNC 加工方法（2.5、3、4 或 5 轴 CNC 铣削）。通过在开始时引入这些数据，程序算法可以创建与其机器配置完美配合的形状。通过添加此功能，Autodesk 找到了一种方法，可以让生成式设计为尽可能广泛的受众提供平易近人且实用的方法。

成为进化的一部分

最终，衍生式设计对于制造商来说是一个令人兴奋的发展，更不用说各种垂直行业和消费者了，因为：“人工智能和衍生式设计工具推动创新和效率的能力将在各行各业得到广泛采用。他们将成为设计过程中的新合作者，提升设计师和工程师的角色，创造出我们从未见过的产品。”