創成式設計（Generative Design）是通過編寫算法和程序來設計的過程，是一個人機交互、自我創新的過程，具體來說由設計師選擇生成模型的策略、編寫算法，以人機交互的參數化建模，根據客觀的設計目標，結合仿真、優化方法，直到獲得最優化的設計。
創成式設計能夠創造出手動建模所不易獲得的設計方案，它們擁有複雜幾何結構，而增材製造技術在工業製造中的應用優勢之一是製造複雜的結構，可以說創成式設計與增材製造技術是天生的"好夥伴"，創成式設計將進一步釋放增材製造的應用潛能。
前兩期文章，我們介紹了創成式設計的起源與概念，創成式設計的方法流程，以及軟件特徵和實現方法。本期增材專欄，將通過創成式設計綜述（三）之典型案例的分享，來展現創成式設計與增材製造結合的獨特魅力。
創成式設計+ 增材製造的輪轂定製
在過去的100年裡發展起來的大規模生產滿足了大眾的各種基本需求。以汽車為例，大規模生產使得家家戶戶都能夠買得起車，汽車作為交通工具的基本功能得以實現。但是，除此之外，人們其實還有更高級的需求，如：對美的追求，希望與眾不同，彰顯個性。但在大規模生產條件下，這些需求被大大地壓縮，人們只能從有限的選項（如：幾種顏色、幾種材質、幾款樣式等）中去選擇，滿足個性化需求，對於大眾來說，幾乎是不可能的。基於傳統制造工藝和傳統設計方法的個性化定製就是"昂貴"的代名詞，它意味著要有設計師專門進行個性化設計，製造商要進行單件製造，而單件製造的費用可能與100件甚至1000件一樣，設計師的的設計費用更是可能高至天價。
現在，隨著增材製造技術和工藝的日益成熟，增材製造生產1000件不同的產品和生產1000件相同的產品，成本幾乎不會增加，這為大規模個性化定製的實現提供了必要條件。但還不夠，還缺乏一個充分條件——廉價高效的個性化設計 。傳統的基於設計師手繪式設計+手工CAD建模的設計方式設計的是單一模型，有多少個性化需求，設計師就得做多少個設計，這無論從設計師數量還是設計靈感上都是無法達到的。而創成式設計正是這種廉價高效的個性化設計的方法，它不再依賴手工建模創建單一模型，而是基於規則編寫算法生成模型，一套規則可以生成無數種模型。設計師的任務已經變為創建規則，編寫設計程序了，生成模型的任務交給計算機自動完成。最終的個性化模型是由一組合適個性化的參數或條件來確定的。有了創成式設計加上增材製造工藝，就已經具備了大規模個性化定製的充要條件。
以輪轂為例，我們看看如何應用創成式設計和增材製造實現大規模個性化定製。汽車輪轂是最體現汽車個性化的部件之一，對輪轂的需求既有美觀，又有性能、輕量化、節能等各個方面。許多愛車的朋友購車後都會進行輪轂改裝，在改進性能的同時，彰顯自己的與眾不同。輪轂設計既有需要標準化的部分，也有可發揮創造力的造型設計，但是無論造型如何變化，滿足力學性能的設計目標不能變。
首先，標準化的輪輞部分，可以通過參照標準中提供的幾何關係建立編程規則，通過編程實現輪輞的參數化建模。
圖 1 輪輞參數化模型
再來看輪輻的創成式設計，我們可以通過定義幾何關係來確定模型生成規則。如果我定義一種這樣的幾何關係：輪輻為成組的分支結構，分支節點位於一系列同心圓上，層間可以扭轉，分組數、分支層數、扭轉角、同心圓半徑分別為在一定範圍內可變的參數。那麼當我們改變任意參數的時候，就會生成不同的結果。假設分組數可取10個數值、分層數可取4個數值、扭轉角可取20個數值、同心圓半徑組合可取50種，扭轉範圍可取10種組合的話，那麼生成的結果將會有400,000種。這裡我們僅展示其中的幾十種，如圖2所示。這裡描述的規則示例，只是一類規則，我們還可以創建其他形式的規則，以生成不同於分支結構的風格樣式。
圖 2 輪輻的創成式設計
創成式設計非常靈活，根據輕量化目標，可以加入鏤空的結構元素，如圖3所示。這些鏤空元素也是隨著輪輻形式以及輪轂規格的變化，按照規則自動生成的。
圖 3 輪轂的輕量化結構
創成設計過程關注的是需求、功能、性能等需求，得到的結果無論多麼複雜，都可以通過增材製造製造出來，並且沒有增加成本。根據用戶的喜好，每一款輪轂的樣式都可以不同，無論小批量定製，還是大規模定製化，都不增加成本，這是增材製造的最大優勢之一。
圖 4 增材製造的輪轂
未來的個性化創成式設計可以是用戶參與的。設計師設計的不同類別風格的程序打包後發到互聯網上，開放一些參數給用戶，由用戶自主調節，即用戶參與的創成式設計，隨著用戶改變參數，結果千變萬化，選定樣式、材質等，完成在線定製下單。用一個公式描述就是：創成式設計+增材製造=你參與設計+為你製造= 100%用戶滿意+ 尊享體驗。
創成式變晶格設計
形狀變化可以由參數的變化來控制。如果設計巧妙，一個參數就可以生成複雜的變化。以圖5的實例為例來看，在一個四邊形中，我們取一個頂點和與其相鄰的兩邊上的中點，該頂點與四邊形的中心點連接直線，在直線上取一點，與上述相鄰兩邊的中點構成的3個點生成一條NURBS曲線，我們可以用一個參數來確定直線上點的位置，當改變參數時，點隨之移動，相應地NURBS曲線也隨之改變。我們把這種變化擴展到整個四邊形以及六面體上，觀察基於NURBS曲線生成的晶胞隨參數的變化，再擴到多個晶格陣列時，觀察晶格隨參數的變化。現在，如果我們把這個參數和晶格單元中心點所在的位置的座標關聯起來，以某種規律和數學方程求出參數變化規則來控制陣列中的每個晶格的形狀和填充率，就會產生比較奇妙的變化。
圖 5 創成式設計變晶格
無人機設計
無人機除了最早軍事領域的應用外，在工業和商用領域也愈發值得關注，這是由於無人機能夠訪問人類（或其他種機器）根本無法進入的地方。例如人道主義組織和救援服務機構已經在利用無人機對自然災害發生後交通阻斷的地區進行調查，其他採用無人機的行業包括農業、採礦、石油/天然氣和建築等等，物流/配送也是一個非常引人注目的領域。
更多更廣泛領域的應用，則需要無人機在大載重、長航時上有更大的突破。通常除了考慮運行環境外，尺寸和重量是影響無人機飛行的兩個重要因素，也是影響載重和長航時的重要因素。一般來說自重越輕，相對可以增加載重量。本案例中對無人機架的設計主要目標即在不影響無人機各項飛行能力情況下，減小無人機自重。
無人機原始設計是採用注塑殼體，重量較重。其中旋轉機翼、電池倉等位置及尺寸是確定的，無其他約束。底面考慮攜帶其他物體，做了分級Voronoi。採用創成式設計實現輕量化。採用框架結構，框架的形狀由幾個參數確定，改變參數時，模型自動重新生成。
圖6 無人機架創成式設計動畫
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