促进CAD建模智能化，nTopology推出Element软件

3D打印技术的一大特点对复杂细节的制造能力，晶格结构就是最典型一种复杂结构。不仅仅起到轻量化的作用，还可以使结构获得材料最低填充量的同时满足结构刚性的需求，并且还可以吸收冲击能量以减缓振动或者达到噪声绝缘的目的。

点阵结构的超轻型特点适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统，所以说点阵结构可以是非常有用的。不过包括晶格和蜂窝结构，在传统的CAD软件中通过手工来创造却是非常耗时的。这就诞生了“更智能的CAD系统”：通过电脑的算法来完成复杂产品的建模过程。本期，就让我们来一起了解一下又一款开发创成式设计软件的公司：nTopology。

nTopology是一家创业型公司，是由15名工程师和软件开发人员组成的团队，经过几年的努力，近日终于发布了Element软件。它能够以用流行CAD建模软件创建的初始3D模型为基础，通过创成式算法完成更复杂的设计。

Element的功能建模涉及到通过设计算法和设置参数来实现的矢量模型，参数可由用户设置。例如，可以通过沿着网格表面来设置特定函数来创建晶格、肋或细胞结构。

这个过程调用了一种网格的“图形”，通过通过对网格应用网格函数，在网格上的每个节点处生成正方形，就会创建格子网格。

当然这些网格可以具有一定的厚度，通过函数将给定的向量应用于沿图形的每个节点，从而产生具立体感的网格设计。当可变厚度应用于局部的网格的时候，这些网格区域看起来比其他区域更多地像被挤出来一样。

设计工程师除了Element软件中自带的调用元素，也可以通过规则生成器工具创建自己的矢量单元和定义功能。通过规则生成器工具可以绘制横梁和面以创建属于自己的胞元结构。

通过图形工具可以绘制束元素、面或壳，以创建可以沿着图形生成的矢量场，并用于创建独特的拓扑元素。有了这些基本的元素，在将这些创建好的横梁和面应用到每个节点的时候，在整个图形中就产生了螺旋的效果。通过翻转墙壁，就可以扭转螺旋线的方向。

当然，仅仅做出来一些炫酷的三维模型是远远不够的，你还需要确认这些模型的力学性能和其他性能是否满足需要。这部分工作是通过一些有限元分析（FEA）软件来完成的，例如SIMSOLID或Abaqus FEA，不过设计师可以将FEA数据直接导入到Element软件中。

例如通过SIMSOLID发现一种专用排气管Inconel 718材料的压力容器中具有过高的压力，这是由内部空气引起的。通过将FEA数据导入到Element软件中，从而调整管道中对内部压力产生变化的厚度，以补偿部件在现实世界中经受的压力。通过在压力值较高的地方将零件变厚，在压力较低的部位变薄来实现轻量化，并加强零件的力学性能。

为了进一步降低零件的重量，可以应用独特的拓扑结构，例如网状或蜂窝结构。当将网状结构应用到压力容器的设计后，可以将重量减轻50％。这些网状结构并不是均匀分布到压力容器上的，而是根据压力的情况，在压力高的部位分配密集的网格，在压力低的部位分配稀疏的网格。

此外，还可以以多种方式进行优化，包括将网格的形状改为六边形，而不是正方形。此外，这些结构还可以增加散热或具有有高的表面积，以增加降噪的能力。

当然，对于许多可能要在Element中创建的形状，3D打印可能是将设计带入到物理世界的最佳实现形式。不过，Element软件不限于3D打印的建模需要。

为了配合CNC铣削的加工要求，Element将会添置一定的约束包括可以确保肋具有一定的拔模角度用于CNC加工，这需要设计软件的人员对加工制造进行深入的理解和研究。此外，nTopology正在开发基于仿真数据自动确定最优结构的算法。

目前，Element Pro专业版每人每年价格为$ 10,000。 Element Free免费版允许用户生成一些预定的模式并定义这些模式的参数，但是Element Pro添加了许多专业级功能，如规则生成器，随机结构和偏移增厚等。

近几年，业界涌现出了大量如nTopology这样的创业企业。它们产品都能利用优秀的算法完成人工难以实现的3D建模工作。不过，这些创业企业并非是颠覆者，因为当前的CAD建模软件已经采取了各种方式拥抱拓扑优化与创成式设计。


· 带拓扑优化基因的Altair
关于拓扑优化与创成式设计软件，Altair的拓扑优化技术在市场上已经有了20多年的积累和品牌声誉，在3D打印领域，solidThinking最出名的两款软件是Insprie和 Evolve。Inspire不仅集成了强大的拓扑优化技术，还可以无缝对接其他的CAD软件，使得设计师不需要懂得复杂的CAE知识就可以达到高效的建模水平。Evolve则提供了一个高度融合的三维建模和渲染环境，使得设计师更高效的对各种设计方案进行评估、研究以及可视化。Altair的拓扑优化技术与仿真技术结合，使得设计师只需要给出载荷和工况，软件将提供最高效能的结构设计。


· 将拓扑优化与创成式设计集成到CAD软件中
Within是Autodesk收购的一款创成式设计软件，Autodesk Within 软件在3D打印轻量化零部件设计方面的优势，源自于一种先进算法，根据参数的变化而生成不同的输出结果。产生式方法根植于系统动力学建模，其本身的性质意味着它们十分适用于那些重复性的过程，即通过大量设计操作和迭代而获得的解决方案。

Autodesk Within主要通过一种优化的引擎获取输入参数：比如重量、最大应力和位移等。并生成带有“可变密度晶格结构和表面外观”的设计。而最后的对象可以根据严格的规格进行调整，最终所得的组件将优于使用传统方法设计出来的部件。Autodesk Within使设计师能够在执行设计规则并且增加了3D打印/增材制造的限制条件的情况下创造出带内部晶格结构的轻质零部件，并且可以进行晶格优化、表面优化，还能够显示应力测试结果、内置优化引擎和优化设计以进行精确的增材制造。

来自美国哥伦比亚大学毕业的Jesse Blankenship创立了Frustum公司，并推出了基于云的拓扑优化软件Generate。这家公司被西门子投资，西门子通过Frustum为其西门子NX软件提供拓扑优化生成器。

此外，西门子NX还与Materialise的增材制造技术的无缝衔接和关联，包括点阵技术、支撑结构设计、3D嵌套、 构建托盘准备、构建处理器框架等，免除数据转换，确保数字化产品设计模型的任何变更都将自动反应在关联的3D打印任务中，进而增强模型的准确性，提高质量，加快从设计到生产的过程。

· 自成一派的算法
与生物学结合Nervous Systems为NB搭建的“泡沫细胞三维阵列结构”平台，提供相对密度低，高度多孔结构的建模，带来既轻又强的结构属性。这有点像自然界的木材和骨的泡沫结构，在不同的区域因为结构的不同而显示出不同的材料特性。

基于云在设计轻量化结构零件时，需要结合整个零件的功能实现，综合考虑空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性等因素。轻量化结构零件由基本结构、外形结构及超轻结构合成。在这个过程中，体现出设计能力的水平，这时候，辅助设计软件应运而生。Betatype定位于复杂点阵结构建模软件平台，这是个基于云的CAD / CAM解决方案，用来为增材制造实现诸如点阵结构这样的复杂的几何形状。

针对3D打印 Materialise 3-matic可以通过创建 3D 纹理、轻量化模型和流道结构来改进设计，实现更复杂的建模。Materialise 3-matic Structures 轻量化模块可以帮助设计师轻松地优化设计并将其转换为轻量化组件。

毫无疑问，随着制造业对更复杂设计需求的增加，当前的3D建模工具正在变得越来越智能。大型CAD软件建模公司正在通过收购或无缝衔接那些定位于拓扑优化和创成式设计领域的软件产品，迅速实现与现有的建模软件的衔接。小型创业公司则或是前期已经成长起来的中型企业，本身就有这独特的行业优势，或是针对于消费级和生物仿生力学的设计需求与特点，或是结合了基于云这样的建模趋势，或是针对3D打印的特点将不同的建模环节融合打通。

来源：3D科学谷

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