3D打印轻量化的多种设计方法，国产隐式建模技术被低估！
CAD模型是3D打印得以实现的数字基础，当前先进的结构设计方法就是隐式建模技术。
由该技术设计的复杂结构，已经在航空航天、汽车、医疗、工业散热等领域得到大量应用。所设计的结构不仅要轻，还要满足强度、刚度、热交换、疲劳寿命以及3D打印可制造性等一系列问题。
以漫格推出的VoxelDance Design（VDD）为例，它不仅能实现隐式建模，还内置了强大的仿真功能，采用多种方式来实现轻量化设计。
方法一：基于应力场的晶格结构设计
3D打印晶格结构的种类多种多样，有的能模仿骨小梁促进骨骼愈合，有能防爆炸冲击，有的则能加强热交换。而且还可以进行梯度化设计，在满足强度的同时，增强轻量化的水平。
隐式建模技术能够轻松将各类点阵结构替换到实体中去。但是，晶格结构的特征尺寸设计成多少才合适？设计师不能凭空设定，力学仿真就很关键。
一个重要的便利就是，隐式建模然让设计迭代变得更加容易。设计师根据受力分布，仅调整几个关键参数，就能轻易改变晶格的杆径或壁厚，而且所看到的画面是实时变动的，这让设计变化清晰且直观。
据笔者了解，漫格VDD软件内置了多种晶格形式，在航空航天轻量化设计、AI芯片散热器以及功能性夹具领域，得到了广泛应用。
方法二：拓扑优化
和把局部挖空或者用晶格替换不同，拓扑优化给减重带来效果更“彻底”，它从整体上重构了零件的整体形态，让材料的分布真正沿着受力的方向分布。
但漫格指出，拓扑优化的过程应该将目标零件周边的其他零件、安装边界都考虑进去，而不能只盯着目标零件本身。
必须关注的核心有四点，使用什么材料、受什么载荷和约束，能占多大空间，以及哪些孔位或特征必须保留。在实际操作中，VDD软件能根据预先设定的上述要素进行自动迭代，最终生成给定约束下的理想结构形态。
方法三：拓扑优化结构与晶格映射处理
笔者跟漫格的工程师进行了大量沟通，才明白它的具体过程。
首先将整个块体转成晶格待用，然后对实体块体施加载荷进行拓扑优化，最后将优化的结果映射到第一步的点阵中，把重合区域单独加强。
这种加强的方法包括调整杆径、壁厚以及调节胞元密度分布，得到的是一个整体的晶格结构。漫格工程师表示，这种方法既继承了拓扑优化的力学路径，又进一步实现了轻量化。
方法四：晶格与拓扑优化结果混融
与方法三得到的结构不同，方法四可获得实体与晶格的组合，在应力集中区保留实体，在非关键区域使用晶格替代，该过程仍然要基于力学仿真的结果进行。
该设计方法的核心在于实现实体与晶格区域的平滑过渡，漫格科技指出，使用VDD的隐式建模功能，不需要布尔运算就可以实现从实体到晶格的平滑过渡。
而该过程对3D打印结构的完整性和力学传导的连续性都至为关键。
方法五：以数学和场定义设计
如果说前四种方法是针对现有模型的轻量化设计，那么第5种方法则完全是从无到有的设计流程。
但它又不同于传统的点线面设计，也不通过一个基础结构变换。而是完全基于数学方程和场，对模型的特征进行表达。
例如螺旋桨的尺寸是多少，曲面如何变换，有多少扇叶。它通过一个方程定义，但这个方程会非常复杂，调整任何一个参数，这个发动机的形状就会实时变化。
如果给模型进行受力分析，结合有限元仿真，模型可以随着受力情况实现参数化的改变。
从这一流程就可以看出，实施该过程需要设计师具备强大的数学功底和图形学理论，更需要理解隐式建模的底层逻辑。
除了上述设计方式，漫格科技表示其VDD软件还能实现其他复杂设计。比如在不同的应力区域使用不同的晶格类型，让同一零件兼顾多种性能需求。但此类结构的设计难点在于不同晶格类型之间的过渡。另一种类似于生成式设计，设计师预先划定几个关键参数的范围，让软件自动计算，在目标载荷下找出最优组合。
但无论哪种方法，都是让结构更加高效。而3D打印的价值体现，除了工艺、材料，就是对结构的依赖度极高。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#轻量化 #3D打印
