壓力容器設計軟件(壓力容器設計軟件AutoPIPE Vessel)

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

　　點陣結構的超輕型特點適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統(tǒng)，所以說點陣結構可以是非常有用的。不過包括晶格和蜂窩結構，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雜產品的建模過程。本期，3D科學谷與谷友共同來領略又一家針對創(chuàng)成式設計的軟件產品：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，經過幾年的努力，nTopology發(fā)布了Element軟件。設計師可以通過流行的CAD建模工具創(chuàng)建初始對象，然后，將設計導入到Element中，在這里通過創(chuàng)成式算法來完成更復雜的設計。

　　Element的功能建模涉及到通過設計算法和設置參數來實現的矢量模型，參數可由用戶設置。例如，可以通過沿著網格表面來設置特定函數來創(chuàng)建晶格、肋或細胞結構。

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

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

　　設計工程師除了Element軟件中自帶的調用元素，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構。

　　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)建獨特的拓撲元素。有了這些基本的元素，在將這些創(chuàng)建好的橫梁和面應用到每個節(jié)點的時候，在整個圖形中就產生了螺旋的效果。通過翻轉墻壁，就可以扭轉螺旋線的方向。

　　當然，僅僅做出來一些炫酷的三維模型是遠遠不夠的，你還需要確認這些模型的力學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，不過設計師可以將FEA數據直接導入到Element軟件中。

　　例如通過SIMSOLID發(fā)現一種專用排氣管Inconel 718材料的壓力容器中具有過高的壓力，這是由內部空氣引起的。通過將FEA數據導入到Element軟件中，從而調整管道中對內部壓力產生變化的厚度，以補償部件在現實世界中經受的壓力。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輕量化，并加強零件的力學性能。

　　為了進一步降低零件的重量，可以應用獨特的拓撲結構，例如網狀或蜂窩結構。當將網狀結構應用到壓力容器的設計后，可以將重量減輕50％。這些網狀結構并不是均勻分布到壓力容器上的，而是根據壓力的情況，在壓力高的部位分配密集的網格，在壓力低的部位分配稀疏的網格。

　　此外，還可以以多種方式進行優(yōu)化，包括將網格的形狀改為六邊形，而不是正方形。此外，這些結構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打印可能是將設計帶入到物理世界的最佳實現形式。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)基于仿真數據自動確定最優(yōu)結構的算法。

　　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定的模式并定義這些模式的參數，但是Element Pro添加了許多專業(yè)級功能，如規(guī)則生成器，隨機結構和偏移增厚等。

　　3D科學谷REVIEW

　　近幾年涌現了大量的如nTopology這樣的創(chuàng)業(yè)企業(yè)進入到建模領域，利用計算機的算法來完成人工難以實現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，可以說當前的CAD建模軟件已經采取了各種方式擁抱拓撲優(yōu)化與創(chuàng)成式設計。

　　帶拓撲優(yōu)化基因的Altair

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

　　將拓撲優(yōu)化與創(chuàng)成式設計集成到CAD軟件中

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

　　Autodesk Within主要通過一種優(yōu)化的引擎獲取輸入參數：比如重量、最大應力和位移等。并生成帶有“可變密度晶格結構和表面外觀”的設計。而最后的對象可以根據嚴格的規(guī)格進行調整，最終所得的組件將優(yōu)于使用傳統(tǒng)方法設計出來的部件。Autodesk Within使設計師能夠在執(zhí)行設計規(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)造出帶內部晶格結構的輕質零部件，并且可以進行晶格優(yōu)化、表面優(yōu)化，還能夠顯示應力測試結果、內置優(yōu)化引擎和優(yōu)化設計以進行精確的增材制造。

　　來自美國哥倫比亞大學畢業(yè)的Jesse Blankenship創(chuàng)立了Frustum公司，并推出了基于云的拓撲優(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軟件提供拓撲優(yōu)化生成器。

　　此外，西門子NX還與Materialise的增材制造技術的無縫銜接和關聯(lián)，包括點陣技術、支撐結構設計、3D嵌套、 構建托盤準備、構建處理器框架等，免除數據轉換，確保數字化產品設計模型的任何變更都將自動反應在關聯(lián)的3D打印任務中，進而增強模型的準確性，提高質量，加快從設計到生產的過程。

　　自成一派的算法

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

　　基于云 在設計輕量化結構零件時，需要結合整個零件的功能實現，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。輕量化結構零件由基本結構、外形結構及超輕結構合成。在這個過程中，體現出設計能力的水平，這時候，輔助設計軟件應運而生。Betatype定位于復雜點陣結構建模軟件平臺，這是個基于云的CAD / CAM解決方案，用來為增材制造實現諸如點陣結構這樣的復雜的幾何形狀。

　　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構來改進設計，實現更復雜的建模。Materialise 3-matic Structures 輕量化模塊可以幫助設計師輕松地優(yōu)化設計并將其轉換為輕量化組件。

　　3D科學谷認為當前的三維建模領域正隨著制造業(yè)對更加復雜的設計需求而出現了智能化趨勢，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撲優(yōu)化和創(chuàng)成式設計領域的軟件產品，從而迅速的實現與現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的設計需求與特點，或是結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。