面向增材制造的鏤空點陣結構設計模塊分析

梁 雄 杜 平 朱麗君 張余益 王 佐 羅 勇 李雙壽

(①清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084；②清華大學基礎工業(yè)訓練中心，北京 100084)

增材制造(additive manufacturing，AM)，通常也被稱作為3D打印[1]。與傳統(tǒng)制造工藝不同，增材制造技術以數(shù)字模型為基礎，通過將三維零件分層切片，再逐層堆積材料的方式進行制造[2]。增材制造技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下三個方面[3]：一是無需模具，適合產(chǎn)品原型、試制零件、個性化定制；二是制造成本對設計的復雜性不敏感，適合制造復雜形狀的產(chǎn)品，如一體化結構、輕量化點陣結構、仿生學設計、梯度合金等；三是增材制造可以以近凈成形的方式來獲得零件毛坯，在機床上進行小余量的切除就可以獲得想要的零件，極大地減少材料的浪費。

增材制造是一項“變革性”技術，在諸多領域具有重大應用潛力[4-5]。據(jù)國外專業(yè)機構預測，到2025年增材制造技術產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達2 000～6 000億美元，增長空間巨大[6]。在技術不斷提升的背景下，增材制造技術已從一般消費品制造，拓寬到航空航天、醫(yī)療器械等高端裝備研發(fā)制造領域當中[7]，成為中國制造2025的發(fā)展重點?！对霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)》的出臺也代表了國家對增材制造的重視[8]。

由于增材制造最大的優(yōu)勢在于各種復雜結構的實現(xiàn)上，因此結構的設計創(chuàng)新和優(yōu)化是增材制造深化應用的核心[9]。在面向增材制造的結構設計研究方面，鏤空點陣結構作為一種輕質、多功能結構受到越來越多學者的關注，已成為增材制造的重點研究領域[10-11]。所謂鏤空點陣結構，是指由大量形狀相同或相似的晶格單元通過某種形式的周期性排列而形成的多孔結構。自然界中存在天然的鏤空結構，如骨骼、海綿以及皮膚等[12]。圖1即為采用點陣結構設計制造的機械零件。鏤空點陣結構可以達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學與動力學性能以及制造費用的完美平衡。同時由于點陣結構高度的空間對稱性可以均勻分解外部載荷，在實現(xiàn)減重的同時不降低結構的承載能力，例如MIT研究的一種超輕架構材料可承受其自身重量16萬倍的載荷，如圖2所示[13]。

產(chǎn)品的三維模型是后續(xù)加工制造的基礎[14]，雖然鏤空點陣結構可以通過增材制造的方式進行加工，但傳統(tǒng)的基于邊界表達法的CAD建模方法卻很難完成在幾何和尺度上如此復雜的結構的設計，這極大地限制了增材制造技術的發(fā)展空間[15]。通過數(shù)字化與創(chuàng)成式設計實現(xiàn)復雜增材制造結構的高效設計勢在必行，而工業(yè)軟件在其中起著舉足輕重的作用。在增材制造結構設計與優(yōu)化方面，目前最先進的技術還是掌握在國外幾個巨頭手上，如PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics等。國內的中國空間技術研究院和中望CAD也做了一些工作，但總體水平上與國外的差距還較大。

中國智能制造要在未來走到國際前列，掌握擁有自主產(chǎn)權的核心技術非常有必要，其中CAD軟件的國產(chǎn)化對智能制造的重要性不言而喻。增材制造大大釋放了對復雜結構零件的制造能力，其中鏤空點陣結構作為理想的輕量化結構而備受關注。本文意在對目前國外主流增材制造軟件在鏤空結構設計方面的功能進行分析對比，以期對開發(fā)國產(chǎn)化的增材制造工業(yè)軟件提供參考。

1 點陣結構簡介及其生成方式

點陣結構是通過對晶格單元進行某種形式的排列形成的，圖3給出了點陣結構生成的示意圖，可以看出晶格單元是點陣結構的基結構。圖4給出了常用的晶格單元示意圖。實際中可以根據(jù)零部件具體使用要求設計不同的單元類型。

根據(jù)晶格單元填充方式的不同，點陣結構可以分為規(guī)則點陣、隨型點陣以及隨機點陣等不同的形式[16]，如圖5所示。其中規(guī)則點陣的晶格單元以周期形式填充整個模型區(qū)域，與邊界相交的單元將被裁減；隨型點陣的晶格單元在填充域的邊界處通過保形映射與域邊界保持一致；隨機點陣則是通過一定的隨機算法在填充域內產(chǎn)生隨機分布的晶格單元。

從圖4和圖5可以看到，點陣結構具有十分復雜的空間構型，傳統(tǒng)CAD建模系統(tǒng)在構建大規(guī)模的點陣填充結構時往往建模效率低下。張登輝[17]對幾種主流的建模軟件在構建典型晶格幾何模型時的難易程度進行了對比，如圖6所示。以CATIA為例，當其構建一個Octet晶格單元時，需要多達91次操作才能完成。由此可見傳統(tǒng)建模方法并不適用于點陣結構。

從圖3可以看出，點陣結構設計需解決的核心問題包括如下三點：

(1)晶格設計。晶格是鏤空結構中最基本的單元，晶格需支持從2.5D(三角形、正方形、長方形、六邊形、八邊形等)到3D(立方、體心立方、面心立方、X形、八角點陣晶格等)的多種晶格單元，同時最好能夠支持用戶自定義晶格單元。

(2)框架生成。給定初始拓撲結構和約束條件，快速構造框架的一種技術。給定晶格類型、晶格尺寸及晶格數(shù)量，生成基本的晶格箱框架，包括規(guī)則的方形或圓柱形框架，以及復雜的貼合曲面曲率的隨型框架等。

(3)鏤空結構體生成。在確定晶格單元和框架結構之后，需要在鏤空區(qū)域生成對應的實體結構，具體分為均勻密度結構及變密度結構等。

2 國外鏤空點陣設計軟件發(fā)展現(xiàn)狀

作者先后對PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四個國外知名軟件的鏤空結構設計模塊進行了調研，下面分別對其進行介紹。

2.1 PTC CREO

2010年10月，美國PTC公司推出全新的CAD設計軟件包CREO，該產(chǎn)品整合了PTC公司的參數(shù)化建模技術、直接建模技術和三維可視化技術，將完全替代已經(jīng)使用了20多年的Pro/Engineer這一知名CAD軟件品牌。

從CREO4.0起，該軟件支持“面向增材制造設計”(design for additive manufacturing，DFAM)，加入了增材制造集成設計和性能分析等功能，從而更便捷高效的完成輕量化結構的設計工作。以鏤空點陣結構為例，不論是2D還是3D晶格，都可以對晶格單元進行參數(shù)化設計，以實現(xiàn)個性化定制。在框架生成方面，支持隨機、共形以及過渡類型的晶格框架。此外，CREO內置的分析模塊還可以對鏤空結構添加載荷和約束，進行初步的有限元分析。這樣設計師可以在單一環(huán)境下對模型進行迭代優(yōu)化，從而實現(xiàn)多設計目標或多限制條件下的鏤空結構設計。圖8為CREO點陣結構設計的操作界面，圖9給出了支架結構全點陣結構及局部點陣結構的設計實例。

2.2 Siemens NX

Siemens NX軟件是一款既靈活又功能強大的集成式解決方案，包括設計環(huán)境中簡單的設計優(yōu)化作業(yè)流程，性能優(yōu)化的解算器以及快速生成光順的設計建議模型等。

在增材制造方面，2017年NX軟件實現(xiàn)與Materialise的增材制造技術全面集成，從而使其進一步適應增材制造技術的發(fā)展，其中就包括鏤空點陣生成技術。針對點陣結構設計，NX的Lattice模塊內置15種晶格結構，并提供規(guī)則、隨型、隨機三種晶格框架，可以快速地在模型內部生成各種復雜的點陣晶格，同時支持多種邊界修剪模式，使生成的鏤空結構更加符合工程應用要求。圖10給出了NX的點陣結構設計界面。

2.3 Autodesk Netfabb

Netfabb系列軟件是由軟件巨頭Autodesk公司開發(fā)的一款專業(yè)的3D打印軟件。Netfabb中的晶格助手模塊可以幫助設計師進行點陣結構的設計。軟件內置了24種常用的晶格類型，同時提供自定義晶格結構功能，可以根據(jù)實際需求創(chuàng)建新的晶格單元。軟件還具有鏤空結構優(yōu)化引擎，可實現(xiàn)自動驗證和優(yōu)化晶格和外觀元素，以滿足負載要求并減輕重量。圖11給出了Netfabb的點陣結構設計界面，圖12為利用Netfabb設計的具有鏤空點陣結構的零件。

2.4 Materialise Magics

Materialise(瑪瑞斯)于1990年成立，公司總部位于比利時，是世界上最大的3D打印供應商之一，一直專業(yè)從事各種增材制造軟件解決方案、工程和3D打印服務。

Magics是一款業(yè)內領先、針對增材制造而打造的通用數(shù)據(jù)準備和STL編輯軟件，具備STL文件格式轉換、修復、設計編輯、打印平臺準備等多項功能。在鏤空結構設計方面，Magics內置晶格結構非常豐富，多達28種晶格單元，同時支持導入自定義的晶格結構，其操作界面如圖13所示。在晶格設置方面，可以選擇有無外殼、利用晶格替換零件內部或零件減去晶格點陣結構以及能夠選擇填充結構的方向，具有非常大的設計自由度。圖14給出了由Magics生成的仿“蜘蛛”鈦合金點陣支架。

表1對上述四種軟件在鏤空點陣結構設計方面的功能進行了對比，可以看到四種軟件都內置了常見的晶格單元類型，同時除NX外其他三種軟件都具有自定義晶格功能，這在一定程度上擴展了點陣結構的設計能力。在框架設計方面，所有軟件均支持規(guī)則形狀及隨型和隨機的框架生成方式。此外，作者還利用上述四種軟件分別對如圖15所示的桿件進行鏤空點陣結構的生成測試，結果顯示所有軟件均能在1 min內完成，與傳統(tǒng)CAD建模軟件相比，其點陣結構設計效率大大提高。

表1 四種軟件鏤空點陣結構設計功能對比

3 結語

作為一項“變革性”技術，增材制造的出現(xiàn)大大拓展了產(chǎn)品的可制造空間。鏤空點陣結構由于超高的比強度和比模量，同時還具有吸能、散熱、隔音及減震等功能，成為理想的零件結構形式。雖然增材制造能夠解決點陣結構的制造問題，但傳統(tǒng)CAD建模方法在創(chuàng)建大規(guī)模點陣結構時效率極其低下，并不適用于點陣結構的設計，因此開發(fā)面向增材制造的鏤空點陣設計軟件顯得尤為重要，而目前國內還沒有相關的商用軟件。本文在分析鏤空點陣結構生成方式的基礎上，對PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四個國外知名軟件的鏤空結構設計模塊進行了對比分析。這些國外CAD軟件巨頭經(jīng)過長期的技術積累與迭代，在DFAM方面均提供了良好的支持。針對點陣結構設計，上述軟件都內置了豐富的晶格單元庫，同時支持隨型、隨機等晶格框架生成，并且其建模效率相比傳統(tǒng)CAD軟件有巨大提升，因而大大降低了鏤空點陣結構的設計復雜度。這些軟件在功能點和操作邏輯上對于開發(fā)自主的DFAM工業(yè)軟件具有借鑒意義。