3D打印技術(shù)的一大特點對復(fù)雜細(xì)節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結(jié)構(gòu)獲得材料最低填充量的同時滿足結(jié)構(gòu)剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動或者達(dá)到噪聲絕緣的目的。

    點陣結(jié)構(gòu)的超輕型特點適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，所以說點陣結(jié)構(gòu)可以是非常有用的。不過包括晶格和蜂窩結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的CAD軟件中通過手工來創(chuàng)造卻是非常耗時的。這就誕生了“更智能的CAD系統(tǒng)”：通過電腦的算法來完成復(fù)雜產(chǎn)品的建模過程。本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來領(lǐng)略又一家針對創(chuàng)成式設(shè)計的軟件產(chǎn)品：nTopology。

    nTopology是一家創(chuàng)業(yè)型公司，是由15名工程師和軟件開發(fā)人員組成的團隊，經(jīng)過幾年的努力，nTopology發(fā)布了Element軟件。設(shè)計師可以通過流行的CAD建模工具創(chuàng)建初始對象，然后，將設(shè)計導(dǎo)入到Element中，在這里通過創(chuàng)成式算法來完成更復(fù)雜的設(shè)計。

    Element的功能建模涉及到通過設(shè)計算法和設(shè)置參數(shù)來實現(xiàn)的矢量模型，參數(shù)可由用戶設(shè)置。例如，可以通過沿著網(wǎng)格表面來設(shè)置特定函數(shù)來創(chuàng)建晶格、肋或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

    這個過程調(diào)用了一種網(wǎng)格的“圖形”，通過通過對網(wǎng)格應(yīng)用網(wǎng)格函數(shù)，在網(wǎng)格上的每個節(jié)點處生成正方形，就會創(chuàng)建格子網(wǎng)格。

    當(dāng)然這些網(wǎng)格可以具有一定的厚度，通過函數(shù)將給定的向量應(yīng)用于沿圖形的每個節(jié)點，從而產(chǎn)生具立體感的網(wǎng)格設(shè)計。當(dāng)可變厚度應(yīng)用于局部的網(wǎng)格的時候，這些網(wǎng)格區(qū)域看起來比其他區(qū)域更多地像被擠出來一樣。

設(shè)計工程師除了Element軟件中自帶的調(diào)用元素，也可以通過規(guī)則生成器工具創(chuàng)建自己的矢量單元和定義功能。通過規(guī)則生成器工具可以繪制橫梁和面以創(chuàng)建屬于自己的胞元結(jié)構(gòu)。

    通過圖形工具可以繪制束元素、面或殼，以創(chuàng)建可以沿著圖形生成的矢量場，并用于創(chuàng)建獨特的拓?fù)湓?。有了這些基本的元素，在將這些創(chuàng)建好的橫梁和面應(yīng)用到每個節(jié)點的時候，在整個圖形中就產(chǎn)生了螺旋的效果。通過翻轉(zhuǎn)墻壁，就可以扭轉(zhuǎn)螺旋線的方向。

    當(dāng)然，僅僅做出來一些炫酷的三維模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，你還需要確認(rèn)這些模型的力學(xué)性能和其他性能是否滿足需要。這部分工作是通過一些有限元分析（FEA）軟件來完成的，例如SIMSOLID或Abaqus FEA，不過設(shè)計師可以將FEA數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到Element軟件中。

    例如通過SIMSOLID發(fā)現(xiàn)一種專用排氣管Inconel 718材料的壓力容器中具有過高的壓力，這是由內(nèi)部空氣引起的。通過將FEA數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Element軟件中，從而調(diào)整管道中對內(nèi)部壓力產(chǎn)生變化的厚度，以補償部件在現(xiàn)實世界中經(jīng)受的壓力。通過在壓力值較高的地方將零件變厚，在壓力較低的部位變薄來實現(xiàn)輕量化，并加強零件的力學(xué)性能。

    為了進一步降低零件的重量，可以應(yīng)用獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如網(wǎng)狀或蜂窩結(jié)構(gòu)。當(dāng)將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到壓力容器的設(shè)計后，可以將重量減輕50％。這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并不是均勻分布到壓力容器上的，而是根據(jù)壓力的情況，在壓力高的部位分配密集的網(wǎng)格，在壓力低的部位分配稀疏的網(wǎng)格。

    此外，還可以以多種方式進行優(yōu)化，包括將網(wǎng)格的形狀改為六邊形，而不是正方形。此外，這些結(jié)構(gòu)還可以增加散熱或具有有高的表面積，以增加降噪的能力。

    當(dāng)然，對于許多可能要在Element中創(chuàng)建的形狀，3D打印可能是將設(shè)計帶入到物理世界的最佳實現(xiàn)形式。不過，Element軟件不限于3D打印的建模需要。

    為了配合CNC銑削的加工要求，Element將會添置一定的約束包括可以確保肋具有一定的拔模角度用于CNC加工，這需要設(shè)計軟件的人員對加工制造進行深入的理解和研究。此外，nTopology正在開發(fā)基于仿真數(shù)據(jù)自動確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)的算法。

    目前，Element Pro專業(yè)版每人每年價格為$ 10,000。 Element Free免費版允許用戶生成一些預(yù)定的模式并定義這些模式的參數(shù)，但是Element Pro添加了許多專業(yè)級功能，如規(guī)則生成器，隨機結(jié)構(gòu)和偏移增厚等。

    3D科學(xué)谷REVIEW

    近幾年涌現(xiàn)了大量的如nTopology這樣的創(chuàng)業(yè)企業(yè)進入到建模領(lǐng)域，利用計算機的算法來完成人工難以實現(xiàn)的建模工作是這類創(chuàng)業(yè)企業(yè)的共同特點。

    不過這些創(chuàng)業(yè)企業(yè)并非是顛覆者，可以說當(dāng)前的CAD建模軟件已經(jīng)采取了各種方式擁抱拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)成式設(shè)計。

    帶拓?fù)鋬?yōu)化基因的Altair

    關(guān)于拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)成式設(shè)計軟件，Altair的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在市場上已經(jīng)有了20多年的積累和品牌聲譽，在3D打印領(lǐng)域，solidThinking最出名的兩款軟件是Insprie和 Evolve。Inspire不僅集成了強大的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，還可以無縫對接其他的CAD軟件，使得設(shè)計師不需要懂得復(fù)雜的CAE知識就可以達(dá)到高效的建模水平。Evolve則提供了一個高度融合的三維建模和渲染環(huán)境，使得設(shè)計師更高效的對各種設(shè)計方案進行評估、研究以及可視化。Altair的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合，使得設(shè)計師只需要給出載荷和工況，軟件將提供最高效能的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    將拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)成式設(shè)計集成到CAD軟件中

    Within是Autodesk收購的一款創(chuàng)成式設(shè)計軟件，Autodesk Within 軟件在3D打印輕量化零部件設(shè)計方面的優(yōu)勢，源自于一種先進算法，根據(jù)參數(shù)的變化而生成不同的輸出結(jié)果。產(chǎn)生式方法根植于系統(tǒng)動力學(xué)建模，其本身的性質(zhì)意味著它們十分適用于那些重復(fù)性的過程，即通過大量設(shè)計操作和迭代而獲得的解決方案。

    Autodesk Within主要通過一種優(yōu)化的引擎獲取輸入?yún)?shù)：比如重量、最大應(yīng)力和位移等。并生成帶有“可變密度晶格結(jié)構(gòu)和表面外觀”的設(shè)計。而最后的對象可以根據(jù)嚴(yán)格的規(guī)格進行調(diào)整，最終所得的組件將優(yōu)于使用傳統(tǒng)方法設(shè)計出來的部件。Autodesk Within使設(shè)計師能夠在執(zhí)行設(shè)計規(guī)則并且增加了3D打印/增材制造的限制條件的情況下創(chuàng)造出帶內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)零部件，并且可以進行晶格優(yōu)化、表面優(yōu)化，還能夠顯示應(yīng)力測試結(jié)果、內(nèi)置優(yōu)化引擎和優(yōu)化設(shè)計以進行精確的增材制造。

    來自美國哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)的Jesse Blankenship創(chuàng)立了Frustum公司，并推出了基于云的拓?fù)鋬?yōu)化軟件Generate。這家公司被西門子投資，西門子通過Frustum為其西門子NX軟件提供拓?fù)鋬?yōu)化生成器。

    此外，西門子NX還與Materialise的增材制造技術(shù)的無縫銜接和關(guān)聯(lián)，包括點陣技術(shù)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、3D嵌套、 構(gòu)建托盤準(zhǔn)備、構(gòu)建處理器框架等，免除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，確保數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計模型的任何變更都將自動反應(yīng)在關(guān)聯(lián)的3D打印任務(wù)中，進而增強模型的準(zhǔn)確性，提高質(zhì)量，加快從設(shè)計到生產(chǎn)的過程。

    自成一派的算法

    與生物學(xué)結(jié)合 Nervous Systems為NB搭建的“泡沫細(xì)胞三維陣列結(jié)構(gòu)”平臺，提供相對密度低，高度多孔結(jié)構(gòu)的建模，帶來既輕又強的結(jié)構(gòu)屬性。這有點像自然界的木材和骨的泡沫結(jié)構(gòu)，在不同的區(qū)域因為結(jié)構(gòu)的不同而顯示出不同的材料特性。

    基于云 在設(shè)計輕量化結(jié)構(gòu)零件時，需要結(jié)合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結(jié)構(gòu)零件由基本結(jié)構(gòu)、外形結(jié)構(gòu)及超輕結(jié)構(gòu)合成。在這個過程中，體現(xiàn)出設(shè)計能力的水平，這時候，輔助設(shè)計軟件應(yīng)運而生。Betatype定位于復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)建模軟件平臺，這是個基于云的CAD / CAM解決方案，用來為增材制造實現(xiàn)諸如點陣結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜的幾何形狀。

    針對3D打印 Materialise 3-matic可以通過創(chuàng)建 3D 紋理、輕量化模型和流道結(jié)構(gòu)來改進設(shè)計，實現(xiàn)更復(fù)雜的建模。Materialise 3-matic Structures 輕量化模塊可以幫助設(shè)計師輕松地優(yōu)化設(shè)計并將其轉(zhuǎn)換為輕量化組件。

    3D科學(xué)谷認(rèn)為當(dāng)前的三維建模領(lǐng)域正隨著制造業(yè)對更加復(fù)雜的設(shè)計需求而出現(xiàn)了智能化趨勢，大型的CAD軟件建模公司則是采取了收購或無縫銜接那些定位于拓?fù)鋬?yōu)化和創(chuàng)成式設(shè)計領(lǐng)域的軟件產(chǎn)品，從而迅速的實現(xiàn)與現(xiàn)有的建模軟件的銜接。小型創(chuàng)業(yè)企業(yè)或者是前期已經(jīng)成長起來的中型企業(yè)，則以獨特的優(yōu)勢存在于競爭中，或是針對于消費級和生物仿生力學(xué)的設(shè)計需求與特點，或是結(jié)合了基于云這樣的建模趨勢，或是針對3D打印的特點將不同的建模環(huán)節(jié)融合打通。