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3D打印工程设计之美

一直以来我很欣赏设计师和他们的工作。设计师们不仅具备创造力,也拥有设计任意他们喜爱实物的自由。作为机械工程师,我的工作很多时候却不允许我这样。当我在这个全新的产品开发行业工作时,我非常幸运能作为设计师和工程师。

作为产品设计师,我在设计过程是享有充分的自由。但是作为工程师,我的设计要受限于产品功能性和制造工艺。另外,作为优秀的工程师,在产品设计时你必须要注意零件加工的经济成本的效率。这些因素会限制工程师的创造力和设计自由度。

从开始做机械工程师那天起,我们别要求零件要设计的越简单越好,这样零件的加工成本会大大降低。这是由当前可用加工工艺造成的,如今3D打印改变了一切。我喜欢3D打印的其中一个原因是,它让我在解决工程问题上能发挥设计的自由和创造力。

1、工程设计的艺术

今年早些时候,GrabCAD提出了一项挑战,参赛者必须设计一款可增材制造的飞机支架。我对此挑战非常感兴趣,密切关注工程师们能够提出哪些创意设计。

我对最终结果非常吃惊,大家在各自支架最终设计中展现了如此多的创意。我最喜欢的其中一个是Nic的Bracketosaurus Rex,虽然他没有获得第一名。在未来我们会看到越来越多类似骨骼设计、越来越多仿生学产品。简单、枯燥类似支架机械零件的设计会在高明工程师手中变为巨作。

3D打印工程设计

不仅仅是机械零件设计能从工程创意中获益。我希望大家能记住3D打印刚开始大肆宣传时那个随处可见的心形齿轮箱。你可以整体设计这个由运动件构成的装配体,并用3D打印技术一体生产出来。

这体现了工程师创意和设计技能的最高水平。这里是另外一个我最喜欢的工程创意设计——换热器。这个换热器由欧特克设计,并通过EOS的DMLS技术打印出来。在换热器冷却管中有扰流器来使冷却液产生紊流,产品几何结构设计使其获得最大换热效率。通过传统的CNC、铸造等工艺,加工这种零件是不可能的。这是为3D打印进行工程设计优化的真实案例。

3D打印工业设计

这不仅对零件设计起作用,对装配体同样适用,这个方法典型的例子是汽车座椅概念设计。整个座椅是由运动件构成的装配体,并通过SLS 3D打印技术加工出来。座椅有很多小的弹簧,这让乘客感觉座椅非常柔软,并在车辆行驶过程中起到缓冲作用。这真是件工程艺术巨作。

3D打印工程艺术

2、新型工程创意设计软件

正如你所想,复杂几何结构设计需要高超的建模技能。使用传统建模软件,任何人都有可能会遇到建模难题。这也是开发新型建模软件的原因,它能帮助工程师快速创建复杂、有创意的几何模型。

其中一款这样的工具是Solidthinking Inspire,它是有限元分析(FEM)和3d建模工具的结合。在传统方式中,你先创建3d几何模型,然后进行有限元分析,然后通过几轮迭代和设计修改得到最终零件。Inspire的工作流程是另一回事,它基本相反。你只需要创建基础几何形状和设置初始条件,软件将完成剩下的工作。

根据初始条件中约束、载荷及材料类型的设置,软件计算并创建出优化的零件设计方案。根据软件计算的几何设计方案,你设计的几何会生成新的已拓扑优化3d模型。

Solidthinking Inspire

最让我兴奋的是Autodesk宣布的Dreamcatcher项目,一个创成式设计系统。这意味着软件可以根据初始条件来生成满足特定需要的几何模型。更进一步的是,软件并不是只计算出一种设计,而是提供几百种可能的选择。它为你提供了不同的设计选择,也会为你的最终设计带来更多灵感。正如Jeff Kowalski所说,当前CAD软件代表了“计算机辅助文件编制”,而这个新软件是真正意义上的“计算机辅助设计”。

Dreamcatcher

3、工程设计的未来

这一切对机械工程师意味着什么?先进的软件AI和直接数字制造会代替对工程师的需求吗?或者它仅仅使我们的工作完成的更好?

我知道它会让工作完成的更好。我们将像Tony Stark一样双手在全息工作台上工作,Jarvis会提供零件设计建议,让我们创造出最合适的方案。通过3D打印和新的软件技术,工程师们会拥有最合适的工具,工作水平上升新的台阶。

我们的下一水平是在超性能零件设计中展现创造力,它不再受制造的限制。工程师的时代即将来临,它是让我们发光、展示内心创意的时候,我们将展现什么才是真正的工程艺术。

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        文章来源:http://blog.grabcad.com/

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