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CAD模型是3D打印得以實現的數字基礎，當前先進的結構設計方法就是隱式建模技術。
由該技術設計的復雜結構，已經在航空航天、汽車、醫療、工業散熱等領域得到大量應用。所設計的結構不僅要輕，還要滿足強度、剛度、熱交換、疲勞壽命以及3D打印可制造性等一系列問題。
以漫格推出的VoxelDance Design（VDD）為例，它不僅能實現隱式建模，還內置了強大的仿真功能，采用多種方式來實現輕量化設計。
方法一：基于應力場的晶格結構設計
3D打印晶格結構的種類多種多樣，有的能模仿骨小梁促進骨骼愈合，有能防爆炸沖擊，有的則能加強熱交換。而且還可以進行梯度化設計，在滿足強度的同時，增強輕量化的水平。
隱式建模技術能夠輕松將各類點陣結構替換到實體中去。但是，晶格結構的特征尺寸設計成多少才合適？設計師不能憑空設定，力學仿真就很關鍵。
一個重要的便利就是，隱式建模然讓設計迭代變得更加容易。設計師根據受力分布，僅調整幾個關鍵參數，就能輕易改變晶格的桿徑或壁厚，而且所看到的畫面是實時變動的，這讓設計變化清晰且直觀。
據筆者了解，漫格VDD軟件內置了多種晶格形式，在航空航天輕量化設計、AI芯片散熱器以及功能性夾具領域，得到了廣泛應用。
方法二：拓撲優化
和把局部挖空或者用晶格替換不同，拓撲優化給減重帶來效果更“徹底”，它從整體上重構了零件的整體形態，讓材料的分布真正沿著受力的方向分布。
但漫格指出，拓撲優化的過程應該將目標零件周邊的其他零件、安裝邊界都考慮進去，而不能只盯著目標零件本身。
必須關注的核心有四點，使用什么材料、受什么載荷和約束，能占多大空間，以及哪些孔位或特征必須保留。在實際操作中，VDD軟件能根據預先設定的上述要素進行自動迭代，最終生成給定約束下的理想結構形態。
方法三：拓撲優化結構與晶格映射處理
筆者跟漫格的工程師進行了大量溝通，才明白它的具體過程。
首先將整個塊體轉成晶格待用，然后對實體塊體施加載荷進行拓撲優化，最后將優化的結果映射到第一步的點陣中，把重合區域單獨加強。
這種加強的方法包括調整桿徑、壁厚以及調節胞元密度分布，得到的是一個整體的晶格結構。漫格工程師表示，這種方法既繼承了拓撲優化的力學路徑，又進一步實現了輕量化。
方法四：晶格與拓撲優化結果混融
與方法三得到的結構不同，方法四可獲得實體與晶格的組合，在應力集中區保留實體，在非關鍵區域使用晶格替代，該過程仍然要基于力學仿真的結果進行。
該設計方法的核心在于實現實體與晶格區域的平滑過渡，漫格科技指出，使用VDD的隱式建模功能，不需要布爾運算就可以實現從實體到晶格的平滑過渡。
而該過程對3D打印結構的完整性和力學傳導的連續性都至為關鍵。
方法5：以數學和場定義設計
如果說前四種方法是針對現有模型的輕量化設計，那么第5種方法則完全是從無到有的設計流程。
但它又不同于傳統的點線面設計，也不通過一個基礎結構變換。而是完全基于數學方程和場，對模型的特征進行表達。
例如螺旋槳的尺寸是多少，曲面如何變換，有多少扇葉。它通過一個方程定義，但這個方程會非常復雜，調整任何一個參數，這個發動機的形狀就會實時變化。
如果給模型進行受力分析，結合有限元仿真，模型可以隨著受力情況實現參數化的改變。
從這一流程就可以看出，實施該過程需要設計師具備強大的數學功底和圖形學理論，更需要理解隱式建模的底層邏輯。
除了上述設計方式，漫格科技表示其VDD軟件還能實現其他復雜設計。比如在不同的應力區域使用不同的晶格類型，讓同一零件兼顧多種性能需求。但此類結構的設計難點在于不同晶格類型之間的過渡。另一種類似于生成式設計，設計師預先劃定幾個關鍵參數的范圍，讓軟件自動計算，在目標載荷下找出最優組合。
但無論哪種方法，都是讓結構更加高效。而3D打印的價值體現，除了工藝、材料，就是對結構的依賴度極高。
注：本文由3D打印技術參考創作，未經授權，謝絕轉載。
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