CN110431554A - 生成待被制造的对象表示 - Google Patents

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CN110431554A CN201880017091.6A CN201880017091A CN110431554A CN 110431554 A CN110431554 A CN 110431554A CN 201880017091 A CN201880017091 A CN 201880017091A CN 110431554 A CN110431554 A CN 110431554A
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Abstract

本申请描述了用于生成待被制造的对象的表示的技术。公开了涉及在设计空间(诸如，体积元世界)中对该对象的仿真制造的方法。仿真制造可以基于以下中的一个或多个：制造协议、对象设计协议和至少一个边界条件。

Description

生成待被制造的对象表示
本申请描述了用于表示和/或设计对象的技术。具体地，本申请描述了用于生成待被制造的对象的表示的技术。
辅助对象几何结构的创建、修改、分析或优化的许多绘图程序是已知的。具体地，计算机辅助设计(CAD)技术的使用是众所周知的，且可以被用来促进对象的设计和/或实现对象的几何结构和/或拓扑结构的优化。CAD输出常常呈用于打印、机械加工或其他制造操作的电子文件的形式。将理解，CAD是在许多应用中广泛使用的重要工业技术。实际上，为了特定用途或目的而设计、适配和优化一部件的几何结构和/或拓扑结构的需要出现在许多应用中，包括在汽车工业、造船工业和航空航天工业中，以及在工业设计和建筑设计、假肢设计和更多的设计中。
已知的绘图技术和系统(诸如，CAD)涉及提供对象的几何结构的初始表示，以用于在常常使用基于矢量的图形来描绘该对象的虚拟设计空间内可视化。绘图系统通常与实现该部件的该几何结构和/或拓扑结构的适配或优化的一种或多种其他技术(诸如，有限元分析(FEA))结合使用。
因此，根据已知的用于设计或优化对象的技术，提供对象的几何结构的初始表示作为随后的分析或优化的起始点是必需的。因此，像CAD的已知的绘图系统要求对象的先验知识或假设知识。这将该系统的可能候选方案限制于初始提供的几何结构的子集，从而限制于设计者或制图员的想象力和/或技巧。
在制造业中包括取得的重大进步的所谓的增材制造工艺(additivemanufacturingprocess)和混合制造工艺加剧了此困难，凭借该增材制造工艺，通过添加层层的材料(诸如，3D打印)来建立3D对象，该混合制造工艺涉及增材技术和减材(材料的受控移除)技术。这些工艺已经开启了所制造的部件的几何结构的先前无法达到的复杂程度。这样，使用传统的绘图系统来设计、评估和优化制造对象是非常困难的。评估对象的可制造性是对象开发的设计阶段的一个重要部分。当前用于评估通过增材技术或混合技术所制造的对象的技术常常是效率低的，为了恰当地评估该对象的可制造性要求初始输入设计的许多迭代。
因此，存在对于改进可用于设计制造对象和可用于设计日益复杂的对象几何结构的技术的需要。还存在对于改进可用于评估制造对象的技术的效力和效率的需要。
本文中所描述的实施例涉及用于生成待被制造的对象的表示(诸如，视觉表示)的方法和工具。具体地，本文中所描述的实施例寻求改进设计待被制造的对象和/或评估待被制造的对象的表示的效力和效率。
根据本发明的第一方面的实施方案的一个实施例，提供了一种生成待被制造的对象的表示的方法，该方法包括基于以下在设计空间中对该对象的制造进行仿真：
i)制造协议，该制造协议限定与用于制造该对象的制造工艺有关的一个或多个制造参数；
ii)设计协议，该设计协议定义限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
因此，第一方面的示例实施方案生成制造对象的表示。所生成的表示可以被认为是该对象的候选设计。所生成的表示可以包括一组值和/或指令，该组值和/或指令限定该对象的候选设计的一个或多个几何结构参数。因此，该表示可以被认为是待被制造的对象的几何结构表示。该表示可以包括视觉表示。该表示可以包括待被制造的候选设计的几何结构的计算机可读描述。
该表示可以对应于2维视觉表示或3维视觉表示。该表示可以在真实世界设计空间内(诸如，在纸上)被可视化。该表示可以被描绘例如在电子显示设备上——在“虚拟”空间内，该“虚拟”空间可以被认为是虚拟设计空间。
视觉虚拟设计空间可以包括体积元(volume element)阵列(例如，立体像素(voxel))，所述体积元划分3维虚拟空间。每个体积元可以包括一个规则的多面体。优选地，每个体积元包括一个立方体。所有体积元可以是相同大小的。将理解，所述体积元的单位大小至少部分地确定可以被创建的表示的几何结构的分辨率。因此，根据本文中描述的一个实施例所生成的表示可以被认为包括多个互连的体积元。
所述制造协议限定与该对象的制造有关的一个或多个制造参数。所述制造协议可以包括一个定义，例如指定作为所述制造工艺的结果而产生的参数(例如，规则)的一组指令和/或值。因此，所述制造参数可以作为与该对象的预期制造或所提出的制造有关的条件、要求、限制或特性的结果而产生。
因此，根据第一方面的示例实施方案，所述制造协议可以包括一组值，该组值限定与增材制造技术(诸如，3D打印)、减材制造技术(诸如，CNC机械加工)或包括增材制造技术和减材制造技术这二者的混合制造工艺相关联的至少一个参数或规则。
所述设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数。例如，所述设计协议可以包括待被制造的对象的初始起始几何结构的定义和/或该对象的一个或多个所要求的属性的定义。
所述边界条件可以限定设计空间的设计区域的任何几何结构限制，在所述设计空间中，可以生成待被制造的对象的表示。设计区域可以被认为是表示可准许的区域的n维空间内的点、线、平面或体积。因此，所述边界条件可以限定：a)要求形成该对象的材料的一个或多个区域，和/或，b)禁止形成该对象的材料的一个或多个区域(例如，空隙)。将理解，边界条件可以作为与待被制造的对象的属性相关联的约束的结果而产生，或由与该对象的预期制造工艺相关联的约束引起。这样，所述边界条件可以被分立地限定，或被限定作为所述制造协议的一部分或被限定作为所述设计协议的一部分。
设想的是，所述制造协议和所述设计协议可以是例如指令和/或值的列表。因此，所述制造协议和所述设计协议可以形成计算机可读指令或值的列表。所述制造协议和所述设计协议可以由根据一个示例实施方案的方法的终端用户导出/指定和输入。因此，例如，具有不同制造能力的用户将能够生成具有不同几何结构的独特设计表示。替代地或附加地，所述制造协议和所述设计协议可以被远程地存储在例如远程服务器或云上，且被传输至仿真单元，该仿真单元能操作以执行对象的仿真制造。
根据本文中所描述的实施例执行的方法可以被迭代地执行，以生成对象的一系列表示，直至例如达到制造对象的最终设计。根据一个或多个实施例，在根据一个示例实施方案的方法的第一次迭代之后所获得的第一表示可以随后通过考虑附加的参数而被修改，和/或通过改变制造的初始仿真所基于的第一组参数的范围而被修改。例如，设想的是，可以生成随后的表示，该随后的表示考虑了例如对象的几何结构的不同区域内允许相应地修改设计的应力和应变、温度或流体流的计算。这可以通过可以由有限元分析方法所导出的“信息素映射(pheromone map)”表示。
对象的最终表示可以随后在该部件的制造方法中被利用作为设计模板。所述设计模板可以呈计算机可读指令、2D图解表示(例如，在电子显示器上或在打印页面上)的形式或可以呈3D表示的形式。
根据第一方面的一个或多个示例实施方案，所述方法包括：
由所述表示生成设计模板。
所述设计模板可以包括2D模型或3D模型。可以使用增材制造工艺或混合制造工艺制造用作设计模板的3D模型。例如，可以通过3D打印方法来制造3D模型。
根据第一方面的一个或多个示例实施方案，所述方法包括：
根据所述表示和/或根据由所述表示所生成的设计模板来制造3D对象。
可以使用增材制造工艺或混合制造工艺来制造所述对象。例如，可以通过3D打印方法来制造3D模型。
将理解，将在根据本发明的示例实施方案的仿真制造期间所使用的一个或多个参数可以通过以下中的至少两个来表征：所述制造协议、所述设计协议或边界条件。因此，在一个或多个参数的分类中存在可能的重叠。例如，所述制造系统中例如作为为制造装置的工具提供访问的需要的结果而产生的物理约束/几何结构约束可以被分类为制造参数、设计参数或边界条件。
此外，将理解，由一个或多个边界条件所限定的空隙的必要性可能是先验知识，该先验知识例如由功能或外部部件和子系统的考虑引起。替代地，由所述设计协议限定的空隙将倾向于是帮助对象执行功能的工程特征的结果，例如用于紧固的孔、将安装其他部件的平面或用于流体的入口流和出口流的已知端口。
对对象的制造进行仿真可以以多种方式实现。例如，可以在被划分成多个体积元的虚拟设计空间内对制造进行仿真。根据一个实施例，一个或多个“虚拟代理”可以被设置在虚拟设计空间内，以用于执行仿真制造。每个虚拟代理能够在所述虚拟空间内行进和执行工作。
虚拟代理可以遵循随机的、加权随机的或预定的路径或轨迹。虚拟代理可以遵循移动指令或规则。虚拟代理会能操作，以遵循呈信息素映射的形式的移动指令。
虚拟代理可以被设置有指定的制造操作，所述指定的制造操作能操作，以在每个体积元位置处执行。例如，称为“增材代理”的虚拟代理能操作以添加材料。相反地，称为“减材代理”的虚拟代理能操作以减去材料。
在每个体积元位置处，虚拟代理会能操作，以执行检查，从而查看是否允许执行其指定的制造操作。此检查将优选地考虑所述制造协议和/或所述设计协议和/或所述边界条件。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于生成待被制造的对象的表示的工具或装置，所述工具或装置包括：
一个仿真单元，被配置成基于以下在设计空间中对该对象的制造进行仿真：
i)制造协议，该制造协议限定与用于制造该对象的工艺有关的一个或多个制造参数；
ii)设计协议，该设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定了设计区域的至少一个边界，在该设计区域内允许存在形成待被制造的对象的材料。
所述工具还可以包括以下中的一个或多个：
一个制造协议存储单元，被配置成存储所述制造协议；
一个设计协议存储单元，被配置成存储所述设计协议；以及
一个边界条件存储单元，被配置成存储所述至少一个边界条件。
所述边界条件存储单元可以是与所述制造协议存储单元和所述设计协议存储单元分立的单元，或它可以形成所述制造协议存储单元的一部分或所述设计协议存储单元的一部分。
所述工具可以从远程源(诸如，远程服务器或云)接收所述制造协议、所述设计协议和所述边界条件中的一个或多个。
所述工具还可以包括一个表示存储单元，所述表示存储单元被配置成存储所述表示。
所述工具还可以包括一个显示器，所述显示器能操作，以显示由所述仿真单元所执行的仿真制造和/或以显示所述表示。
根据一方面的组件可以包括根据一个示例实施方案的工具，所述工具与制造装置结合设置，所述制造装置能操作，以接收所述表示且以根据所述表示制造3D对象。例如，所述工具可以包括3D打印设备。
根据第三方面的实施方案的一个实施例，提供了一种生成待被制造的对象的表示的方法，所述方法包括在包含多个体积元的虚拟设计空间中对该对象的制造进行仿真。
根据第三方面的一个示例实施方案，所述方法包括基于以下中的至少一个而向每个体积元添加材料和/或从每个体积元移除材料：
i)与该对象的制造有关的至少一个制造规则；
ii)与待被制造的对象有关的至少一个设计规则；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
根据第四方面的实施方案的一个实施例，提供了一种用于对对象的制造进行仿真的仿真单元，所述仿真单元包括：
一个虚拟设计空间，所述虚拟设计空间包括多个体积元；以及
至少一个虚拟代理，所述至少一个虚拟代理能操作，以在所述虚拟设计空间内的体积元之间移动且以在给定的体积元处执行仿真制造操作。
由所述至少一个虚拟代理执行的制造操作可以包括向给定的体积元添加材料和/或从给定的体积元减去材料。
通过所述至少一个虚拟代理所执行的制造操作可以基于以下中的一个或多个：
i)与该对象的制造有关的至少一个制造规则；
ii)与待被制造的对象有关的至少一个设计规则；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定了设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
本文中所描述的多个方面的多个实施例有益地使得能够通过以无材料为起点自下而上地对该对象的制造进行仿真来表示对象从而设计对象。以此方式，可以获得待被制造的对象的表示，所述表示基于一组真实世界制造和/或实践参数/约束的定义，而非任何初始的、假定的几何结构或美学特性。本文中所描述的实施例的示例实施方案的优点在于，根据制造工艺的预定描述生成固有“可制造的”对象几何结构。此外，通过移除对初始对象几何结构的需要，本文中所描述的实施例可以有益地帮助避免设计偏见和/或由于不良起始几何结构所导致的次优设计、或基于先前设计的设计固定。
还将理解，可以有用地执行示例实施方案，以基于所述制造协议和所述设计协议以及所述至少一个边界条件来评估和/或优化初始输入设计绘图。
本文中所描述的实施例在将通过增材制造工艺或混合制造工艺制造对象的情况下是特别有利的。本文中所描述的实施例可以有效地促进在设计工艺的早期阶段中考虑关键制造约束和设计约束来生成高度复杂的对象几何结构。
本文中所描述的发明的实施例有益地允许多个制造约束的同时鉴定。根据示例实施方案的方法和工具使得任意数目的制造约束能够在根据第一方面的示例方法的迭代执行内分层，以给出可制造性的更整体的声明。因此，可制造性的此声明(其形成用于仿真所要求的制造协议)从设计阶段期间从开始被用来生成待被制造的对象的候选设计的表示，所述表示表现出固有可制造的几何结构。
将理解，所述制造协议和/或所述设计协议和/或所述边界条件的数目和细节将取决于所述表示和/或最终制造的对象所要求的细节和/或精确度的水平。
根据本发明的一个示例实施方案的方法可以包括先前装置方面的任何组合。根据这些其他实施方案的方法可以被描述为计算机实施的，因为它们要求处理和存储器能力。
根据一个或多个实施例的工具被描述为被配置成或能操作以执行某些功能。此配置或操作可以是利用硬件或中间件或任何其他合适的系统。在优选的实施方案中，所述配置或操作是通过软件。
因此，根据一方面，提供了一种程序，所述程序在被加载到至少一个硬件上时将所述至少一个硬件模块配置成变成根据前述定义中的任何一个或其任何组合的工具。
根据另一方面，提供了一种程序，所述程序在被加载到所述至少一个硬件模块时将所述至少一个硬件模块配置成实施根据前述方法定义中的任何一个或其任何组合的方法步骤。
通常，所提到的硬件可以包括列为被配置或布置成提供所限定的功能的元件。例如，此硬件可以包括用于所述工具的存储器和处理电路系统。
根据另一方面，提供了一种制造对象的方法，所述方法包括：
i)在设计空间中对该对象的制造进行仿真，以获得一个表示，所述仿真基于以下中的一个或多个：
a)制造协议，所述制造协议限定与用于制造该对象的制造工艺有关的一个或多个制造参数；
b)设计协议，所述设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；
c)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料；以及
ii)由所述表示制造该对象。
根据一个或多个示例实施方案，制造该对象的步骤包括增材制造工艺或混合制造工艺。例如，可以通过3D打印方法制造该对象。
为了更好地理解本发明以及为了示出如何可以有效实施本发明，现将以实施例的方式参考下面的附图，在附图中：
图1a例示了根据一个例示性实施例的用于生成待被制造的对象的表示的工具；
图1b例示了根据另一例示性实施例的用于生成待被制造的对象的表示的组件；
图2例示了根据一个例示性实施例的方法；
图3例示了根据另一例示性实施例的用于生成待被制造的对象的表示的工具；
图4a和图4b例示了包括多个立方体体积元的设计空间的一部分；
图5给出了强度1和2的两个信息素源(黑色阴影)附近的虚拟代理的一个二维实施例；
图6a、图6b和图6c从不同的角度例示了设计空间中禁止形成对象的材料的区域；
图7a和图7b示出了根据本发明的基于由图6a、图6b和图6c所例示的边界条件的一个示例实施方案所生成的表示；
图8例示了根据另一示例实施方案的仿真制造的方法；
图9例示了对于一个工作示例实施方案形成设计协议的一部分的起始条件的示意图；
图10a、图10b和图10c各自例示了通过根据工作实施例的仿真制造方法的迭代所生成的表示；
图11a和图11b提供了从图10c中所例示的表示创建的打印对象几何结构的照片；
图12以图表例示了图10c中所例示的表示的最大应力和体积分数的进程；
图13a例示了对于图10b中所例示的表示创建的应力分布；
图13b例示了对应于图13a的信息素映射。
图14例示了受信息素和制造约束影响的白蚁运动的梯度。
图15例示了针对所提出的设计问题的“空隙空间”。
图16例示了连贯设计迭代之间的豪斯多夫(Hausdorff)距离的曲线图和每次迭代的值(方程2)。部件几何结构的渲染被示出在图17中。
图17例示了来自第60个设计迭代的几何结构的打印版本。
本文中所描述的实施例涉及用于表示待被制造的对象的方法和工具。
图1a例示了根据第一实施例的用于生成待被制造的对象的表示的工具100的组成部分。该工具包括制造协议存储单元10、设计协议存储单元和仿真单元30。根据此具体例示性实施例，该制造协议存储单元被设置有边界条件存储单元40。
如图1a中例示的，工具100能操作以基于从制造协议存储单元10所接收的至少一个值或指令、来自边界条件存储单元40的至少一个边界条件和从设计协议存储单元20所接收的至少一个值或指令，来生成待被制造的对象的表示R。该仿真单元基于所接收的值和/或指令来执行对象的仿真制造的工艺，且生成表示R，该表示R从仿真单元30输出。表示R可以包括例如该表示的绘图或该表示的计算机可读描述。替代地或附加地，该工具可以被连接至电子显示设备(未示出)，以促进该表示在2维或3维虚拟设计空间内的可视化。
图1b例示了用于制造对象的组件200的组成部分。该组件包括根据第一实施例的用于生成待被制造的对象的表示的工具。该工具包括制造协议存储单元10、设计协议存储单元和仿真单元30。该组件还包括显示设备50，该显示设备50允许表示R和/或仿真对象的制造的工艺被用户可见。该组件还包括用于由表示R制造3D对象的设备60。例如，该组件可以包括用于3D打印该表示的装置。
根据另一实施例的仿真制造的示例方法被例示在图2中。该方法包括对制造对象的制造进行仿真的步骤，即步骤2。第一预备步骤(其可以形成或可以不形成根据本实施例的一个方法步骤)涉及选择或输入制造协议至制造协议存储单元(步骤1a)、选择或输入设计协议至设计协议存储单元(步骤1b)以及选择或输入至少一个边界条件至边界条件存储单元(步骤1c)。
将理解，预备步骤1a、1b和1c可以以任何顺序来执行。还将理解，该制造协议、设计协议和至少一个边界条件中的一个或多个可以由工具的用户通过例如在仿真之前输入指令或值来定义。此外，该制造协议、设计协议和至少一个边界条件中的一个或多个可以由用户从为工具所设置的协议库选择。这样的库可以被存储在工具内或可以被远程地存储，例如在远程服务器上或在云中。
图3例示了根据包括仿真单元30的工具100的另一实施例的工具。根据此实施例，该仿真单元包括接收单元(31)，用于接收与制造协议、设计协议和至少一个边界条件有关的指令或值。所述指令或值可以本地存储在工具的至少一个存储单元内，或可以从远程源接收。
仿真单元30还包括设计空间或世界32以及至少一个代理33，在该设计空间32内对待被制造的对象进行仿真，所述至少一个代理33能操作以执行该对象的仿真制造。
该设计空间可以包括虚拟设计空间，且所述至少一个代理可以包括虚拟代理。该虚拟设计空间可以包括三维网格(grid)。该三维网格可以包括多个体积元。所述体积元可以将该设计空间划分成多个规则的多面体。
一个或多个虚拟代理能操作以在该设计空间或虚拟世界内移动。每个代理在符合接收至仿真单元30的接收单元31的多种协议规则的情况下能操作，以在体积元中的每个处执行制造操作，从而对对象的制造进行仿真。因此，每个代理能操作以遵守由仿真单元所接收的制造协议、设计协议和一个或多个边界条件的规则或参数。代理33可以被认为包括一个或多个指令、值或规则，所述一个或多个指令、值或规则被配置或能操作以变成用于执行定义的制造操作的虚拟代理。
根据示例实施方案，包括多个体积元的虚拟设计空间可以有利地包括多个立方体。为了创建不具有不希望的多孔性的实心几何结构，优选的是可以在离散的层高度处添加和减去材料。还期望的是能够在三维设计空间中创建规则的铺面(tiling)。立方体是提供三维铺面的唯一规则的多面体，从而是虚拟设计空间的优选体积元。立方体体积元中的一个或多个可以在立方体内包括更复杂的体积形状，使立体像素元多孔。所有体积元都具有位置特性和大小特性。所有体积元都可以共用共同的大小，或体积元的大小可以横跨设计空间变化。该大小支配所创建的部件几何结构的分辨率。取决于由制造工艺所表现出的自由度，立方体的六个侧面中的每个可以在制造期间被用于遍历和材料处理。
可以设置多个虚拟代理或“蚂蚁”来创建蚂蚁群。每只蚂蚁能够在虚拟空间内行进和执行工作。因此，根据至少一个实施例，被称为增材蚂蚁的代理能操作，以添加材料来填充给定的体积元。被称为减材蚂蚁的代理能操作以从给定的体积元移除材料。
图4a例示了根据一个实施例的设计空间的一部分，该设计空间包括多个立方体立体像素V和用于向该设计空间添加材料的增材蚂蚁34。图4b例示了根据一个实施例的设计空间的一部分，该设计空间包括多个立方体立体像素V和用于从该设计空间移除材料的减材蚂蚁35。
在受到制造协议或设计协议中所限定的或由一个或多个边界条件所限定的任何几何结构约束的情况下，虚拟代理可以移动通过虚拟设计空间。因此，虚拟代理可以被认为在虚拟设计空间的允许设计区域内移动。
根据一个或多个实施例，虚拟代理可以遵循随机的、加权随机的或预定的路径。替代地，根据一个或多个实施例，虚拟代理可以遵循移动指令或规则。代理的移动可以被描述为趋性移动(taxis movement)，由此每个代理响应于一个刺激或源而移动。这可以例如通过为每个代理的移动提供指令的“信息素映射”来实现。
信息素映射可以被认为表示在某个原点处最强的强度场，且强度随着进一步远离该原点而减小。许多这样的强度场或映射可以被叠加，以捕获多个源的影响。
根据一个或多个实施例，其中仿真单元包括由多个立方体体积元所组成的虚拟世界，一个蚂蚁优选地被定位在立方体体积的中心处，但是可以被定向成面向六个面中的每个。该蚂蚁可以在体积元网格内遵循趋性运动(taxicab motion)，因此可能地向上、向下、向前、向后、向左和向右移动。该蚂蚁的定向可以被用来在该世界内改变方向，但是也可以被用来改变蚂蚁处理材料所沿着的方向。这样，取决于特定制造工艺的自由度，不是所有定向可以被用来处理材料。例如，在通过三轴机械加工进行仿真制造的情况下，切割工具的轴线必须总是平行于Z方向。因此，此约束必须被传送至该仿真单元，且在仿真制造期间被遵守。
蚂蚁群可能被所谓的“皇后”控制。皇后能操作，以在初始建造板表面上创建蚂蚁和/或以销毁未能在固定数目的时间步长内移动或处理的蚂蚁。皇后可能持有信息素映射，且可能能操作以为每只工蚁发出移动指令以及使每只蚂蚁执行其特定制造操作的命令。
因此，根据一个或多个实施例，蚂蚁可以被认为在整个虚拟世界中漫游，用每一移动检查以查看它们是否可以执行它们的指定制造操作。与自然界中的蚂蚁很像，蚂蚁可以遵循信息素轨迹，所述信息素轨迹根据特定制造工艺的需要而变得更强或更弱。信息素的强度与特定蚂蚁在该位置中执行制造工艺的统计概率(随机抽签)直接有关。如果认为蚂蚁应处理，则必须检查以查看它是否违反可制造性规则中的任何一个(例如，不试图沉积未被附接至任何预先存在的材料的新材料)。
所有蚂蚁的运动优选地由相同的机构支配。令D(i,j,k)表示第i只蚂蚁与第j个信息素源的距离，假定蚂蚁进行第k个移动。
D(i，j，k)＝||vj-(vi+vk)||1 (1)
其中vi是第i只蚂蚁的位置，vj是第j个信息素源的位置且vk描述了第k个移动的矢量移动。在此，‖x‖1是矢量x的趋性范数(taxicab norm)。此距离量则被用来计算一旦第i只蚂蚁已经进行了第k个移动之后，作用在第i只蚂蚁上的所有信息素气味的总强度，其应被表示为γi,k。
参数ρk表示一旦蚂蚁已经进行了第k个移动之后，在该蚂蚁的位置处的材料的存在或不存在。如果材料不存在，则它被设定为零，如果材料存在，则它被设定为1。参数sj是第j个信息素源在其原点处的强度，并且J是信息素源的总数目减1(零索引)。值γ(i,k)最终被用来计算第i只蚂蚁从其当前位置进行第k个移动的概率。
这些概率然后可以被用来经由随机抽签选择第i只蚂蚁进行K个总可能移动中的哪个移动。在(3)中，是提高到幂A的、针对K个可能移动中的每个移动的信息素强度的增加的上升秩。通过增加A，第i只蚂蚁在最强信息素气味方向上进行移动的可能性大大增加。因此，当信息素源反映该部件中的应力分布时，蚂蚁更可能沉积在高应力区域附近。A根据比例控制原则来设定：
在此，An+1是在下一个迭代中所使用的指数，Kp是比例增益，Fy是材料的屈服应力，sf是安全系数，Fmax是在FEA中出现的最大应力且An是当前迭代中的指数。
一旦蚂蚁已经移动，就确定蚂蚁是否应执行它的制造工艺。这再次是概率问题。对于增材工艺，(2)和(3)通过修改被再次使用。参数γ(i,k)被替换成σ(i,k)，σ(i,k)是第i只蚂蚁执行已经作出了第k个移动的过程的需要的量度(measure)。
这然后以类似的方式被用到(3)，以计算原地执行制造操作的概率。指数A如在(4)中那样计算。
图5示出了在强度1和2的两个信息素源(黑色阴影)附近的蚂蚁的二维实施例。使用“#”符号表示该蚂蚁的四个可能移动。灰色阴影被用来示出当前原地具有材料的区域。使用(1)-(3)，当A被设定为4时，该蚂蚁移动到位置#0、#1、#2或#3的百分比机会分别是12.57％、86.79％、0％和0.64％。这示出了对朝向信息素源的直觉移动的偏好。
根据本文中所描述的一个或多个示例实施方案，制造协议指定与预期的制造工艺有关的参数。例如，制造工艺协议可以包括至少一个值、指令或规则，所述至少一个值、指令或规则作为以下的结果而产生，例如：工具可访问性约束、对象所要求的任何支撑结构的避免或最简化、以及所谓的“悬伸特征(overhanging feature)”的避免或最简化。
例如，在预期的增材制造工艺的情况下，制造工艺协议可以指定材料沉积所要求的访问区域。在预期的减材制造工艺的情况下，制造工艺协议可以指定必须清除材料以形成对象的区域，从而允许工具可访问性。
示例制造规则包括：
1.支撑：如果添加材料，则必须在将添加材料的点下方存在足够的支撑材料(先前添加的)；
2.视线：如果添加或减去材料，则必须存在至工艺点的清楚视线，即不存在例如工具、激光、电子束或来自喷嘴的高速粉末流必须通过的预先存在的材料，从而在期望的位置处处理。
取决于所要求的知识或细节的水平，形成制造协议的规则列表可以无限连续。更综合的一组规则可以包括：
1.如果在材料的体积元下方存在足够的支撑材料，则可以添加材料的体积元。
2.如果增材工艺在要求支撑结构之前可以适应与建造方向成45°的悬伸，则必须在在处理方向上新添加的材料的正下方或斜下方存在材料。
3.必须在处理方向上存在至处理位置的瞄准线访问。这可以被表示为在新材料的位置上方的、延伸至设计空间的边缘的空的空间的圆柱形柱。这可以是任意几何结构，以更好地反映被利用的硬件。
4.增材工艺和减材工艺这二者必须避免处理已处理的材料，即不在已经存在材料的位置添加材料且不试图切割空的空间。
5.减材工艺不应将单个工件划分成多个工件。这可以使用限定所有现有的材料立方体以及它们的连接度的树结构的深度优先搜索来检查。如果此搜索识别多个已连接的树结构，则该部件已经被划分。应注意，可以通过建造板来建立连接度，以准许稍后连结的多个柱的同时构造。
制造协议和/或设计协议可以包括一个或多个指令、值或规则，所述一个或多个指令、值或规则限定将在对象的制造期间所使用的材料的至少一个特性。材料特性可以与材料的机械特性有关，所述机械特性是例如材料的强度、弹性、可锻性、刚度、延展性。替代地或附加地，例如，材料特性可以与材料的化学特性、电学特性、磁特性、光学特性或热特性有关。
根据本文中所描述的一个或多个实施例，设计协议可以指定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数。例如，设计协议可以包括待被制造的对象的初始起始几何结构的定义和/或对象的一个或多个所要求的属性的定义。
因此，起始几何结构可以限定一个或多个建造板的设计空间内的尺寸和/或形状和/或位置，该表示被建造到所述一个或多个建造板上。因此，对象的仿真制造可以被认为包括通过向建造板添加材料来创建对象几何结构。
待被制造的对象的至少一个属性可以包括例如以下的描述或定义：
例如紧固器所要求的一个或多个孔；
定位和配对至其他对象所要求的一个或多个平坦表面；
流体流所要求的入口端口和/或出口端口；
外围对象或子系统的几何结构；
以及，所要求的对象强度或对象的工程要求，它们基于例如作用在待被制造的对象上的负载和承载力的描述。
根据本文中所描述的一个或多个实施例，边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该至少一个边界内，允许形成待被制造的对象的材料存在。具体地，边界条件可以限定：a)要求形成该对象的材料的一个或多个区域，和/或，b)禁止形成该对象的材料的一个或多个区域(例如，空隙)。
通过参考图6a、图6b和图6c可以理解，可以为根据本发明的一个示例实施方案的仿真制造方法提供边界条件的一个实施例。图6a、
图6b和图6c从不同角度例示了设计空间32的禁止形成该对象的材料的区域36。具体地，灰色区域例示了设计空间内的空隙，所述空隙作为例如制造所要求的工具可访问性的结果而产生。
将理解，形成制造协议或设计协议的一部分的指令或规则可以指定不具有限定限制的目标，例如“尽可能减少质量”。
图7a和图7b示出了根据本发明且基于由图6a、图6b和图6c所例示的边界条件的一个示例实施方案所生成的表示。具体地，图7a提供了从前面观察的所生成的对象几何结构的表示R，且图7b示出了该表示的立体视图。
根据一个或多个实施例，通过仿真制造获得的表示可以随后经受附加的处理技术或分析。例如，表示可以被发送至有限元分析(FEA)工具或单元，该有限元分析工具或单元能操作以对放置在对象上的负载条件进行仿真。
有限元分析或有限元方法(FEM)是一种已知的数值技术，用于求偏微分方程的边界值问题的近似解。它将一个大问题细分为被称为有限元的更小的、更简单的部分。对这些有限元建模的简单方程然后被组装成对整个问题建模的一个更大的方程系统。然后，FEM使用来自变分学的变分法，通过最小化相关联的误差函数近似计算解。
FEM可以被用来确定对象的几何结构的一个或多个区域内的应力和应变。然后，此信息可以被传递回至根据一个示例实施方案的仿真单元，以用于仿真制造的另一迭代，该另一迭代利用从FEA所获得的负载数据。以此方式，能操作执行仿真制造的虚拟代理可以被吸引朝向高应力区域且避免低应力的区域。这意味着，对象的几何结构的先前太弱的区域可能获得额外的支撑/材料，而低应力的区域倾向于变得更薄或完全消失。
图8例示了根据另一示例实施方案的仿真制造的方法。具体地，图8给出了用于集成有限元方法求解器的一个实施例，以创建闭环用于创建对象表示。在第一种情况下，仅考虑在设计协议、制造协议和边界条件中出现的初始输入，通过根据一个示例实施方案的系统来设计对象。一旦通过材料的特定布置满足了所述初始输入，则所创建的表示的计算机可读描述就被传递至有限元求解器。在此，将负载情况和约束应用至该部件，且数值地计算感兴趣的参数，例如应力、应变或温度等。这些感兴趣的参数然后被包括在更新的设计协议中，其中感兴趣的(例如，高应力的)区域变成随后的对象设计所必须满足的新要求。通过此闭环的迭代可以无限连续，或直至满足停止准则。
本文中所描述的实施例可以被认为是一个闭环系统。通过此闭环迭代的结果是一种对象的设计，该设计经济地利用材料以满足该对象所要求的属性。本质上，材料仅被放置在要求材料的地方。
图9、图10和图11提供了根据一个示例实施方案的工作实施例的例示。将理解，图9中所设置的具体尺寸仅是出于示例的目的。
此实施例用于远离壁或其他安装表面延伸的支架，该支架支撑与壁相距一固定距离的悬臂式负载。在四个圆形定位区域p1至p4中，蚂蚁被孵化在至壁的附接板上。在图9中给出了形成设计协议设置的一部分的起始条件的示意图。还示出了部件的建造方向B。
根据此实施例，仿真制造被执行创成式几何结构创建(generative geometrycreation)的总共27次迭代(每次迭代约2分钟)以及随后的有限元分析，以创建应力场。图10a、图10b和图10c分别给出了第1次迭代、第18次迭代和最终迭代所产生的几何结构的渲染。这些几何结构中的每个几何结构可以被认为包括多个互连的体积元。用于这些部件的最大应力和体积分数如下：
目标应力
6.00kN/cm2
最大应力
(a)3.08kN/cm2
(b)4.74kN/cm2
(c)5.54kN/cm2
体积分数
(a)0.228
(b)0.135
(c)0.122
从图像和上文给出的统计数据的查阅，几种行为是清楚的。首先，悬臂式结构的承载端已经被成功连接至安装板。其次，随着迭代进行，存在使结构变薄且建立从安装板延伸的分开的“腿”的明显倾向。图11中示出了两张照片。具体地，图11a示出了打印的对象几何结构，该对象几何结构是从图10c以及用于相同设置但支撑指定负载的一半的另一实施例创建的。两个部件都坚持可制造性准则，该可制造性准则在避免指定建造方向上的支撑结构的制造协议中限定。
图12中示出了所设计的几何结构的最大应力和体积分数的进程。此图表还示出了设计的目标最大应力。体积分数在前几次迭代中明显快速下降，然后稳定在0.12和0.13之间。这些值示出，通过执行仿真制造，可获得显著的轻量化机会。这些部件所经历的最大应力最初朝向目标应力增加，然后在目标值周围振荡。图13a例示了对于第18次迭代可能创建的应力分布，其中较暗的阴影指示较大应力的区域，且图13b例示了对应的信息素映射，用来指示执行仿真制造的虚拟蚂蚁的移动。应优选地注意，避免选择落入略微在所设计的最大应力阈值以上的几何结构。因此，重要的是，在选择几何结构时比较体积分数和最大应力。
如在此实施例中的仿真制造促进多个、可行的几何结构表示的快速生成。
本发明的实施方案包括受白蚁巢建造所启发的创成式多代理设计方法，用于增材制造部件。
通过增材制造工艺可获得的几何结构复杂度要求新的工具来帮助设计者最大化其优点。白蚁群可以构建高度复杂的巢，该巢被优化用于温度调节和通气。这些白蚁的简单个体行为导致高度智能的群行为，允许巢被同时地设计、优化和生产。通过模仿白蚁行为，此研究已经导致一种使用多代理算法的新的设计方法学，所述多代理算法同时地设计、结构优化和鉴定通过增材制造所生产的部件的可制造性。一个案例研究展示了使用多代理系统的轻量化部件的创成式设计。
1.介绍
增材制造(AM)工艺承诺经由逐层制造来开启空前水平的设计自由度。此自由度可以导致这些部件和产品的复杂度和性能的阶跃改变。然而，问题仍然存在的是，是否有能力理解和利用此水平的复杂度和设计自由度？
制造具有分级复杂度(宏观几何结构、中间材料特性(诸如，晶格)和定制微结构或金相学)的几乎任何形状的能力意味着用于AM的设计空间是广阔的。此外，在部件几何结构和部件“可制造性”之间存在复杂的关系。例如，该部件相对于建造方向的定向可以显著影响材料和能量使用。此外，部件内的残余应力的累积常常难以预测，这会导致代价高的建造中或服务中故障。
在2008年，呼吁新的工具，从而在设计者追求高度复杂的设计空间内的最佳设计时支持设计者。这因与工业化AM相关而越来越尖锐。成功的AM设计(DfAM)依赖于工程设计、材料科学和制造之间的越来越多的重叠。原因之一是在制造工艺期间缺少人为干预的机会。考虑设计改变对下游工艺的影响的迫切需要要求使用AM的工程更集成或甚至并发。这些观念已经在关于增材制造设计(DfAM)的2016年CIRP年会主题演讲中被明确认同，该主题演讲声明：
“仍然需要解决设计、表示、分析、优化和制造之间的结合。”
目的是通过从自然中获取启发来直接解决此声明，自然已经被证明是工程设计中的丰硕灵感源。白蚁巢高度复杂，且可以被优化用于通风或温度调节。这是在没有任何智能建筑监督的情况下实现的。白蚁巢的存在是它们是内在“可制造的”这一事实的确实的证明。提出了一种设计方法，该设计方法模仿白蚁在建造它们的巢时的行为以并发地设计、结构优化和鉴定AM部件的可制造性。
2.背景
由于工业以越来越多地利用AM为目的，所以存在设计工艺将不客观或不具探索性的风险。传统的制造工艺的先验经验，对特定美学或布局的潜意识偏见或成见，以及设计固定的风险全都可能损害AM部件设计的客观性。这可能由于耗时的开发和优化周期而加重。
在整个1970至80年代，传统的制造工艺(例如，机械加工或铸造)得益于面向制造和组装的设计(DfMA)的引入。自AM的出现和激增以来，研究已经试图适配DfMA指南以适应AM工艺；然而，这些都在努力捕获用于AM的设计部件的集成性质。因此，大量研究正积聚在使用旨在更灵活的工具中，所述更灵活的工具旨在更广泛地搜索整个大设计空间或目标最佳设计。
根据要求、约束和目标创建概念的创成式设计工具被视为一种更具探索性和更客观的方式。Autodesk描述了正在DfAM领域中出现的四种类型的创成式设计工具：形式合成、晶格和表面优化、拓扑优化以及小梁结构。这些方法可以被认为按搜索设计(design-by-search)或按优化设计(design-by-optimisation)。然而，此数学方法常常未能在整个设计过程中纳入人类交互和监督。最近的研究已经试图通过创成式设计工具中的人机交互来解决此问题。
发明者的论点是，虽然创成式设计方法正在作为用于DfAM的流行方法出现，但是它们目前也未能将设计、表示、分析、优化和制造结合。这样，发明人已经开发了一种新的、多代理的创成式设计工具。系统接收该部件的功能要求的描述和可用的制造能力作为输入。许多代理或“白蚁”通过沉积材料来创成式地构造几何结构；始终遵循设计约束和制造约束。与有限元求解器集成使其成为闭环系统，由此白蚁的行为根据例如该部件内的应力而被更改。讨论了该系统的支配动态及其收敛于最终部件概念的能力。
3.“白蚁”群的支配动态
白蚁在整个三维世界中移动，受“趋性几何结构”约束(即没有斜的移动)。这导致六个可能的运动方向，且使用来自这六个选项的随机抽签来确定每个白蚁的方向。另外，每个白蚁每次移动仅可以移动一个长度单位。为了使群的子组转向至感兴趣的区域，根据两个准则来操纵白蚁进行某个移动的概率：(i)在每个白蚁位置处信息素场的梯度，以及(ii)在每个白蚁的所有可能的随后的位置中(即，在它们的下一次移动之后)材料的存在或不存在。
3.1.由“信息素”造成的行为“信息素”被用来引导白蚁群。白蚁被鼓励使它们自己朝向信息素源移动且朝向信息素源建造材料。吸引白蚁的需求最初将使用单个宽幅材料来连接所有部件特征。此外，集成的有限元分析(FEA)将应力大小转换为信息素强度，从而鼓励白蚁增加高应力区域中的材料量。每个信息素源导致一个场，该场扩散到n维空间，该部件存在于该该n维空间中。在给定的位置处，此场具有与该信息素源的接近度有关的强度。经由所有个体信息素效应的总和建立给定位置处的信息素场的强度。在第i只白蚁的位置处感知的强度是：
sj是第j个信息素在其原点处的强度。D(i，j，k)是一旦第i只白蚁已经在第k个方向上移动之后从第i只白蚁至第j个信息素源的趋性距离(taxicab distance)。
D(i，j，k)＝||vj-(vi+vk)||1 (iii)
在n维世界中，第k个方向对应于形成第k行矩阵的矢量v：
白蚁可以做两件事中的一件，即移动至新的位置或处理材料；首先它们移动，然后它们处理。支配方程(1和2)取决于蚂蚁是正在移动还是正在处理而不同地表现。这受参数C的条件性质控制：
在此，ρk是二元运算符，一旦白蚁已经在第k个方向上移动或处理，该二元运算符识别材料是否存在于白蚁的位置中。如果材料存在，则它被设定为1。参数M包含一组可制造性检查。这些在3.2节中讨论了。C的优雅之处在于，它表示白蚁的感知能力；告诉它们什么处于它们的环境中，从而它们的下一可用的动作是什么。
白蚁在第k个方向上执行动作的倾向由信息素场的瞬时梯度▽γ(i,k)给出。这是使用中心差分和单边差分在数值上计算的。不保证白蚁将在陡峭下降的方向上执行动作。相反，这由随机抽签控制。在第k个方向上执行动作的概率由方程(ii)限定。每个概率乘以一个权重，该权重取决于第k个移动的秩和白蚁的“攻击性”的大小A。使用适当的控制法则(比例控制)来更新A值。这确定了白蚁的行为是直接的还是探索性的。
3.2.制造约束和设计约束引起的行为
白蚁被吸引朝向高强度的信息素。白蚁为了到达信息素所执行的动作依赖于针对特定问题的制造约束和设计约束。如在方程(i)和(v)中看到的，如果满足C，即在第k个方向上存在材料，则白蚁仅考虑在给定的方向上的动作。对于白蚁在第k个方向上处理材料，则材料必须不存在且参数M等于1。M是一组布尔运算符，表示必须全都被满足的所有制造约束。每一项的乘法确保M仅在所有检查返回值1时具有值1。如果mn的任何一个值没有通过其制造检查，则该将为0。因此，如果制造检查中的任何一个失败，则M也将为0。这防止白蚁在那个方向上处理材料。
M＝m1×m2×m3×...mn (vi)
制造检查的列表可以根据需要是详细的或一般的。制造检查的一些实施例可以被限定如下：存在材料吗？存在足够的支撑材料吗？存在工具可访问性吗？材料被允许吗？最小特征大小？特征纵横比？
通过严格遵循这些规则，白蚁被吸引朝向信息素，且在需要时处理材料但仅以根据由制造约束所设定的规则来仿真制造的方式。图14例示了由信息素所创建的强度场，同时也考虑了制造检查。深灰色区域中禁止材料，迫使白蚁远离此区域。
3.3破坏信息素源
随着信息素的强度降低，对白蚁将材料直接沉积在信息素源上的需求降低。这意味着，比如高应力的区域要求材料被精确地放置在相关联的信息素源的原点上。相反，如果材料被放置在非常弱的信息素源附近，则该非常弱的信息素源可以被视为“满意的”。激励此行为的是将材料放置在绝对需要它的地方的期望；与现有的拓扑优化技术很像。用于移除信息素源的条件由(vii)中的不等式给出。
4.结果：收敛于最终设计
白蚁相对于多种目标优化了给定的设计问题。一个示例设计问题可能包括准许材料的包络、加载条件以及减少该部件的质量的更一般的目标。在图15中描述了一个虚构的设计问题，图15示出了三种情况。首先，实心白色圆柱区段和球形区段示出不准许材料的区域(空隙-空间)。这些可以表示不能够被重新定位或为了维护工具作业或接线而访问的外部子系统。在此实施例中，空隙-空间是有意复杂的。其次，黑色阴影表示建造板，且建造方向垂直于此表面。最后，阴影线阴影表示一个表面，该表面将具有施加至它的均匀分布的压缩负载，该压缩负载作用朝向建造板。
在白蚁群和有限元求解器之间建立一个反馈回路。这允许闭环设计迭代，其中该白蚁群输出当前的几何结构，且该FE求解器将此转换成定量性能量度。此回路可以无限地继续，或直至满足一个停止准则。应力值被反馈至该白蚁群，在此它们之后被转换成新的信息素，该新的信息素具有与应力大小成比例的强度。
为了展示系统收敛于最终部件几何结构，使用两个观察度量(metric)。它们中的第一个是豪斯多夫距离(dH)，该豪斯多夫距离被认为在算法的连贯迭代中所创建的部件几何结构之间的相似性的量度。在此，将第i个部件几何结构网眼(组Y)之间的差异与第i-1个参考网眼(组X)进行比较。使用(viii)计算基于组X和组Y的两个网眼之间的dH
在此，‘sup’和‘inf’分别是上确界和下确界。连贯网眼之间具有小dH被认为比具有较大值的那些网眼更类似。图16中示出了dH在总共60次迭代中的收敛，其中dH被示出为从0.73减小且稳定在约0.3处。除了dH之外，还标绘了白蚁的“攻击性”(A，方程(ii))。此值以0.2初始，然后增加且在60次迭代的过程中最终稳定在约3处。这与设定此值所采用的比例控制法则一致。
为了展示来自第60次设计迭代的几何结构在没有支撑的情况下是固有“可制造的”，使用采用PLA的Ultimaker 2 Extended+FDM打印机来增材制造该几何结构(参见图17)。
5.讨论
CIRP共同体已经强调了对在与AM相关联的设计、表示、分析、优化和制造之间的更大结合的需要。已经引入了一种用于经由创成式、基于代理的设计工具实现此结合的方法。此工具通过绘制设计部件来迁移远离设计部件，且通过在闭环设计优化中仿真设计部件的制造来朝向设计部件移动。这已经展示了以此方式所设计的部件：(a)能够满足功能要求，诸如承载能力和特定区域的避免；(b)实现首要设计目标，诸如减少部件质量；以及(c)收敛于总体体积和形状。
考虑到虚构的设计问题(第4节)，该系统设计了在压缩负载下不超过最大可准许应力的部件；5.98MPa与6MPa相比。最终部件未违反由空隙空间所施加的任何空间约束(图15)，且也可以在没有任何支撑材料的情况下被制造。最终部件(第60次迭代)具有19,637个立体像素的立体像素计数。可以存在材料的总可用体积(边界框减去空隙-空间体积)是159,997个立体像素。这表示当与最大可准许几何结构相比时体积减少了88％。
所提出的系统的优点之一是，它并发地设计、结构优化和鉴定部件的可制造性。此外，设计约束和要求以及制造约束和要求的数目可以由用户自行决定被增加或减少。由该系统设计的多个部件在工艺的给定的描述下是固有“可制造的”。提出的是，制造能力的更详细的描述将准许该部件的成功制造中的更大信心。多组制造规则的组可以形成配置文件，该配置文件可以针对不同的机器互换，从而导致对相同的工程问题的不同的解决方案。最后，该系统以创成式方式(即，在没有起始几何结构的情况下)设计部件。因此，此系统有助于减轻设计阶段中的已经被强调为主要问题的偏见、固定和成见。
6.结论和未来展望
这展示了基于代理的、创成式设计工具能够同时地设计、结构优化和鉴定AM概念部件的可制造性。该系统收敛于具有稳定的体积和形状的最终部件概念。该系统利用机会以使部件显著轻量化，同时保留可制造性且不损害所要求的功能。此研究的意义在于仅使用部件的功能要求和可用的制造能力的描述来创建部件概念的能力。此并发和创成式方法表示一种在AM的设计的复杂性中概念生成的新方法。此研究将继续建造处理越来越复杂的设计约束和制造约束的能力。它还将专注于创建可以可靠地制造的部件概念。
根据另一示例实施方案，进行下面的工艺：
i.作为预备步骤，将与描述设计问题有关的所有信息导入到根据一个示例实施方案的仿真工具。此信息优选地包括以下中的一个或多个：优化目标(例如，质量减少)、机器内的部件位置和定向、负载情况以及已知几何结构(诸如，用于紧固的孔、用于安装表面的平坦平面)的区域以及为了组装要求或工具可访问性要求必须保持畅通的区域。用户还选择制造资源(例如，3D打印机)，该制造资源进而导入用于可制造性的所有规则(悬伸角度、工具可访问性尺寸等)。来自设计问题描述的信息和制造资源信息这二者将对边界条件的定义(可允许的体积和体积像素分辨率)有贡献。
ii.材料放置：一个或多个蚂蚁之后被创建，且之后被命令在包括多个体积元的虚拟设计空间内遵循一个预定的路径。所述蚂蚁被命令访问该设计空间中的每个立体像素。通过对照可制造性规则检查每个立体像素，材料被放置在所有可行位置中。这可以被称为“智能填充”。
iii.材料移除：移除将在后续处理步骤(诸如，CNC机械加工)中被移除的立体像素。这是为了确保在最终部件几何结构上进行FEA。
iv.进行所有仿真情景(例如，负载情况)的第一个FEA。
v.优化算法的第一次迭代现在开始。
vi.有限元分析仿真数据被返回至仿真工具。之后，该仿真工具将FEA数据映射到相关的立体像素上(例如，应力数据)。
vii.这些仿真值(例如，应力)被缩放或以其他方式在数学上被操纵，以使数据以对蚂蚁可读且有用的格式呈现(例如，被归一化在0和1之间)。然后，将这些仿真值与与设计要求(诸如，已知需要材料的区域)相关联的信息素组合。
viii.子迭代现在开始。在此，限定一个窗口。此窗口表示当前的优化目标(例如，与先前的迭代相比，将质量减少了5％)。这将不与总体优化目标混淆，总体优化目标是尽可能地减少质量。该仿真工具现在必须调整每只蚂蚁对信息素源的敏感度。这是一个使得仅最强的信息素被首先寻址的阈值。然后，该阈值被调整(被减小)直至该设计(例如，部件的质量)位于所述窗口内。
a.设定/调整优化目标(窗口值)
b.设定每只蚂蚁对信息素源的敏感度
c.智能填充发生在当前的敏感度值处
d.使用当前的敏感度识别是否已经满足所有设计要求
e.更改敏感度直至已经满足所有设计要求
f.如果未满足，则转至(b)
ix.如果未满足，则转至(iii)
根据一个或多个示例实施方案的方法可以包括装置方面或工具方面的任何组合。根据这些其他实施例的方法可以被描述为计算机实施的，因为它们要求处理和存储能力。
根据一个或多个示例实施方案的工具被描述为被配置或布置成执行某些功能。此配置或布置可以是利用硬件或中间件或任何其他合适的系统。在一个或多个实施例中，该配置或布置是通过软件的。因此，根据一方面，提供了一种程序，当所述程序被加载到至少一个硬件模块上时，所述程序将所述至少一个硬件模块配置成变成根据前述方面中的任何一方面的工具。
根据另一方面，提供了一种程序，当所述程序被加载到所述至少一个硬件模块上时，所述程序将所述至少一个硬件模块配置成执行根据前述方法定义中的任何一个或其任何组合的方法步骤。
通常，所提到的硬件可以包括列为被配置或布置成提供所限定的功能的元件。例如，此硬件可以包括至少一个传感器、用于工具的存储器、处理和通信电路系统以及用于根据一个示例实施方案的系统的存储器、处理和通信电路系统。
本文中所描述的示例实施方案可以在数字电子电路系统中实施，或在计算机硬件、固件、软件中实施，或以它们的组合实施。示例实施方案可以被实施为计算机程序或计算机程序产品，即，有形地具体化在信息载体中(例如，在机器可读存储设备中或在所传播的信号中)的计算机程序，以用于由一个或多个硬件模块执行或以控制一个或多个硬件模块的操作。计算机程序可以呈独立程序、计算机程序部分或不止一个计算机程序的形式，且可以以任何形式的编程语言编写，所述编程语言包括编译语音或解释性语言，且它可以以任何形式来部署，包括被部署为独立程序或为模块、部件、子例程或适合于在数据处理环境中使用的其他单元。
根据本文中所描述的示例实施方案的方法步骤可以由一个或多个可编程处理器执行，所述一个或多个可编程处理器执行计算机程序，以通过对输入数据操作且生成输出来执行本发明的功能。根据一个或多个示例实施方案的工具可以被实施为编程的硬件或专用逻辑电路系统，包括例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
适用于执行计算机程序的处理器以实施例的方式包括通用微处理器和专用微处理器这二者以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机访问存储器或这二者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器，该处理器被耦合至一个或多个用于存储指令和数据的存储器设备。
可以以多种计算机语言创建测试脚本和脚本对象。以平台独立的语言(例如，可扩展标记语言(XML))表示测试脚本和脚本对象允许人们提供可以在不同类型的计算机平台上使用的测试脚本。
用于实施本发明的一个示例实施方案的一组计算机可读指令的第一实施例如下：
应注意，上文提到的实施例例示而非限制本发明，且在不脱离所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。词语“包括”不排除权利要求中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求中记载的几个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种生成待被制造的对象的表示的方法，该表示包括该对象的候选设计的几何结构参数，其中所述方法包括：
在包括多个体积元的设计空间中对该对象的制造进行仿真的步骤，其中对制造进行仿真的步骤包括在每个体积元处：
i)执行检查以基于以下来确定在所述体积元处是否准许仿真制造操作：
a)制造协议，该制造协议限定与该对象的制造有关的一个或多个制造参数；
b)设计协议，该设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
c)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料；以及
ii)如果确定准许所述仿真制造操作，则执行所述仿真制造操作以导出所述候选设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造协议包括与用于制造该对象的制造工艺的参数有关的指令和/或一组值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述制造协议包括限定增材制造工艺的至少一个参数、减材制造工艺的至少一个参数或混合制造工艺的至少一个参数的指令和/或一组值。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述制造协议限定一个规则，该规则作为将被用于制造该对象的预期制造系统的至少一个几何结构约束的结果而产生。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述几何结构约束与至少一个工具可访问性约束有关。
6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述设计协议包括待被制造的对象的初始起始几何结构的定义和/或待被制造的对象的一个或多个所要求的属性的定义。
7.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述至少一个边界条件限定：a)要求形成该对象的材料的一个或多个区域，和/或，b)禁止形成部件的材料的一个或多个区域。
8.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述设计空间包括虚拟设计空间。
9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中每个体积元包括一个立方体。
10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括多个互连的体积元。
11.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括一组计算机可读指令。
12.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括视觉表示。
13.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过至少一个虚拟代理执行对该对象的制造进行仿真的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个虚拟代理是增材代理、减材代理或混合代理。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述至少一个虚拟代理能操作以遵循包括信息素映射的移动指令，或能操作以遵循预定的路径。
16.根据权利要求15所述的方法，其中基于对待被制造的对象的先前生成的表示的分析来生成所述信息素映射，该分析包括有限元分析方法。
17.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括：
分析步骤，所述分析步骤包括对负载条件进行仿真，该负载条件设置在通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示上，以获得分析数据。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析步骤涉及有限元分析方法。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括基于通过所述分析步骤所获得的分析数据来对制造进行仿真的另一步骤。
20.根据任一项前述权利要求所述的方法，包括所述仿真制造操作包括向每个体积元添加材料和/或从每个体积元移除材料。
21.一种用于生成待被制造的对象的表示的工具，所述表示包括该对象的候选设计的几何结构参数，其中所述工具包括：
一个仿真单元，被配置成在包括多个体积元的设计空间中对该对象的制造进行仿真，其中该仿真单元在每个体积元处能操作，以：
i)执行检查，从而基于以下确定在所述体积元处是否准许仿真制造操作：
a)制造协议，该制造协议限定与该对象的制造有关的一个或多个制造参数；
b)设计协议，该设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
c)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料；以及
ii)如果确定准许所述仿真制造操作，则执行所述仿真制造操作以导出所述候选设计。
22.根据权利要求21所述的工具，还包括以下中的一个或多个：
一个制造协议存储单元，被配置成存储所述制造协议；
一个设计协议存储单元，被配置成存储所述设计协议；以及
一个边界条件存储单元，被配置成存储所述至少一个边界条件。
23.根据权利要求21或22所述的工具，其中所述工具还被配置成从远程源接收所述制造协议、所述设计协议和所述边界条件中的一个或多个。
24.根据权利要求21、22或23所述的工具，还包括一个表示存储单元，所述表示存储单元被配置成存储所述表示。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的工具，还包括一个显示器，所述显示器能操作以显示由所述仿真单元所执行的仿真制造和/或以显示所述表示。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的工具，还包括一个制造装置，所述制造装置能操作以接收所述表示且以根据所述表示制造对象。
27.一种用于对对象的制造进行仿真的仿真单元，包括：
一个虚拟设计空间，所述虚拟设计空间包括多个体积元；以及
至少一个虚拟代理，所述至少一个虚拟代理能操作，以在虚拟设计空间元内的体积元之间移动，其中在每个体积元处所述至少一个虚拟代理能操作，以：
i)执行检查以确定在所述体积元处是否准许仿真制造操作；
以及
ii)如果确定准许所述仿真制造操作，则执行所述仿真制造操作以导出该对象的一个候选设计。
28.根据权利要求27所述的仿真单元，其中通过所述至少一个虚拟代理所执行的制造操作包括向给定的体积元添加材料和/或从给定的体积元减去材料。
29.根据权利要求27或28所述的仿真单元，其中所述仿真单元能操作以基于以下中的一个或多个执行所述检查：
i)与该对象的制造有关的至少一个制造规则；
ii)与待被制造的对象有关的至少一个设计规则；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的仿真单元，还包括用于显示所述虚拟设计空间的电子显示器。
31.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令导致计算机执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。
32.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令导致计算机执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。
33.一种数据处理设备，所述数据处理装置包括用于执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法的装置。

Claims (35)

1.一种生成待被制造的对象的表示的方法，所述方法包括：
基于以下在设计空间中对该对象的制造进行仿真的步骤：
i)制造协议，该制造协议限定与该对象的制造有关的一个或多个制造参数；
ii)设计协议，该设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造协议包括与用于制造该对象的制造工艺的参数有关的指令和/或一组值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述制造协议包括限定增材制造工艺的至少一个参数、减材制造工艺的至少一个参数或混合制造工艺的至少一个参数的指令和/或一组值。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述制造协议限定一个规则，该规则作为将被用于制造该对象的预期制造系统的至少一个几何结构约束的结果而产生。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述几何结构约束与至少一个工具可访问性约束有关。
6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述设计协议包括待被制造的对象的初始起始几何结构的定义和/或待被制造的对象的一个或多个所要求的属性的定义。
7.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述至少一个边界条件限定：a)要求形成该对象的材料的一个或多个区域，和/或，b)禁止形成部件的材料的一个或多个区域。
8.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述设计空间包括虚拟设计空间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述虚拟设计空间包括体积元阵列。
10.根据权利要求9所述的方法，其中每个体积元包括一个立方体。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括多个互连的体积元。
12.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括一组计算机可读指令。
13.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示包括视觉表示。
14.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过至少一个虚拟代理执行对该对象的制造进行仿真的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个虚拟代理是增材代理、减材代理或混合代理。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述至少一个虚拟代理能操作以遵循包括信息素映射的移动指令，或能操作以遵循预定的路径。
17.根据权利要求16所述的方法，其中基于对待被制造的对象的先前生成的表示的分析来生成所述信息素映射，该分析包括有限元分析方法。
18.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括：
分析步骤，所述分析步骤包括对负载条件进行仿真，该负载条件设置在通过对该对象的制造进行仿真的步骤所生成的表示上，以获得分析数据。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述分析步骤涉及有限元分析方法。
20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括基于通过所述分析步骤所获得的分析数据来对制造进行仿真的另一步骤。
21.一种生成待被制造的对象的表示的方法，包括在虚拟设计空间中对该对象的制造进行仿真，该虚拟设计空间包括多个体积元。
22.根据权利要求21所述的方法，包括基于以下中的至少一个向每个体积元添加材料和/或从每个体积元移除材料：
i)与该对象的制造有关的至少一个制造规则；
ii)与待被制造的对象有关的至少一个设计规则；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
23.一种用于生成待被制造的对象的表示的工具，所述工具包括：
一个仿真单元，被配置成基于以下在设计空间中对该对象的制造进行仿真：
i)制造协议，该制造协议限定与该对象的制造有关的一个或多个制造参数；
ii)设计协议，该设计协议限定与待被制造的对象有关的一个或多个设计参数；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
24.根据权利要求23所述的工具，还包括以下中的一个或多个：
一个制造协议存储单元，被配置成存储所述制造协议；
一个设计协议存储单元，被配置成存储所述设计协议；以及
一个边界条件存储单元，被配置成存储所述至少一个边界条件。
25.根据权利要求23或24所述的工具，其中所述工具还被配置成从远程源接收所述制造协议、所述设计协议和所述边界条件中的一个或多个。
26.根据权利要求23、24或25所述的工具，还包括一个表示存储单元，所述表示存储单元被配置成存储所述表示。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的工具，还包括一个显示器，所述显示器能操作以显示由所述仿真单元所执行的仿真制造和/或以显示所述表示。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的工具，还包括一个制造装置，所述制造装置能操作以接收所述表示且以根据所述表示制造对象。
29.一种用于对对象的制造进行仿真的仿真单元，包括：
一个虚拟设计空间，所述虚拟设计空间包括多个体积元；以及
至少一个虚拟代理，所述至少一个虚拟代理能操作，以在所述虚拟设计空间内的体积元之间移动且以在给定的体积元处执行仿真制造操作。
30.根据权利要求29所述的仿真单元，其中通过所述至少一个虚拟代理所执行的制造操作包括向给定的体积元添加材料和/或从给定的体积元减去材料。
31.根据权利要求29或30所述的仿真单元，其中通过所述至少一个虚拟代理所执行的制造操作基于以下中的一个或多个：
i)与该对象的制造有关的至少一个制造规则；
ii)与待被制造的对象有关的至少一个设计规则；以及
iii)至少一个边界条件，所述至少一个边界条件限定设计区域的至少一个边界，在该设计区域中允许存在形成待被制造的对象的材料。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的仿真单元，还包括用于显示所述虚拟设计空间的电子显示器。
33.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令导致计算机执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法。
34.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令导致计算机执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法。
35.一种数据处理设备，所述数据处理装置包括用于执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法的装置。
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