面向增材制造的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；②清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084)

增材制造(additive manufacturing，AM)，通常也被稱(chēng)作為3D打印[1]。與傳統(tǒng)制造工藝不同，增材制造技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)將三維零件分層切片，再逐層堆積材料的方式進(jìn)行制造[2]。增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下三個(gè)方面[3]：一是無(wú)需模具，適合產(chǎn)品原型、試制零件、個(gè)性化定制；二是制造成本對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不敏感，適合制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，如一體化結(jié)構(gòu)、輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、仿生學(xué)設(shè)計(jì)、梯度合金等；三是增材制造可以以近凈成形的方式來(lái)獲得零件毛坯，在機(jī)床上進(jìn)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(fèi)。

增材制造是一項(xiàng)“變革性”技術(shù)，在諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力[4-5]。據(jù)國(guó)外專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)2 000～6 000億美元，增長(zhǎng)空間巨大[6]。在技術(shù)不斷提升的背景下，增材制造技術(shù)已從一般消費(fèi)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(lǐng)域當(dāng)中[7]，成為中國(guó)制造2025的發(fā)展重點(diǎn)。《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2017-2020年)》的出臺(tái)也代表了國(guó)家對(duì)增材制造的重視[8]。

由于增材制造最大的優(yōu)勢(shì)在于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)上，因此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化是增材制造深化應(yīng)用的核心[9]。在面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)、多功能結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，已成為增材制造的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[10-11]。所謂鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，是指由大量形狀相同或相似的晶格單元通過(guò)某種形式的周期性排列而形成的多孔結(jié)構(gòu)。自然界中存在天然的鏤空結(jié)構(gòu)，如骨骼、海綿以及皮膚等[12]。圖1即為采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的機(jī)械零件。鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工程強(qiáng)度、韌性、耐久性、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡。同時(shí)由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)高度的空間對(duì)稱(chēng)性可以均勻分解外部載荷，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)不降低結(jié)構(gòu)的承載能力，例如MIT研究的一種超輕架構(gòu)材料可承受其自身重量16萬(wàn)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(chǔ)[14]，雖然鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增材制造的方式進(jìn)行加工，但傳統(tǒng)的基于邊界表達(dá)法的CAD建模方法卻很難完成在幾何和尺度上如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這極大地限制了增材制造技術(shù)的發(fā)展空間[15]。通過(guò)數(shù)字化與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜增材制造結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)勢(shì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，目前最先進(jìn)的技術(shù)還是掌握在國(guó)外幾個(gè)巨頭手上，如PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics等。國(guó)內(nèi)的中國(guó)空間技術(shù)研究院和中望CAD也做了一些工作，但總體水平上與國(guó)外的差距還較大。

中國(guó)智能制造要在未來(lái)走到國(guó)際前列，掌握擁有自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)非常有必要，其中CAD軟件的國(guó)產(chǎn)化對(duì)智能制造的重要性不言而喻。增材制造大大釋放了對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造能力，其中鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為理想的輕量化結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。本文意在對(duì)目前國(guó)外主流增材制造軟件在鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的功能進(jìn)行分析對(duì)比，以期對(duì)開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化的增材制造工業(yè)軟件提供參考。

1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及其生成方式

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)晶格單元進(jìn)行某種形式的排列形成的，圖3給出了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成的示意圖，可以看出晶格單元是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基結(jié)構(gòu)。圖4給出了常用的晶格單元示意圖。實(shí)際中可以根據(jù)零部件具體使用要求設(shè)計(jì)不同的單元類(lèi)型。

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

從圖4和圖5可以看到，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有十分復(fù)雜的空間構(gòu)型，傳統(tǒng)CAD建模系統(tǒng)在構(gòu)建大規(guī)模的點(diǎn)陣填充結(jié)構(gòu)時(shí)往往建模效率低下。張登輝[17]對(duì)幾種主流的建模軟件在構(gòu)建典型晶格幾何模型時(shí)的難易程度進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示。以CATIA為例，當(dāng)其構(gòu)建一個(gè)Octet晶格單元時(shí)，需要多達(dá)91次操作才能完成。由此可見(jiàn)傳統(tǒng)建模方法并不適用于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

從圖3可以看出，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需解決的核心問(wèn)題包括如下三點(diǎn)：

(1)晶格設(shè)計(jì)。晶格是鏤空結(jié)構(gòu)中最基本的單元，晶格需支持從2.5D(三角形、正方形、長(zhǎng)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(diǎn)陣晶格等)的多種晶格單元，同時(shí)最好能夠支持用戶(hù)自定義晶格單元。

(2)框架生成。給定初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件，快速構(gòu)造框架的一種技術(shù)。給定晶格類(lèi)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(fù)雜的貼合曲面曲率的隨型框架等。

(3)鏤空結(jié)構(gòu)體生成。在確定晶格單元和框架結(jié)構(gòu)之后，需要在鏤空區(qū)域生成對(duì)應(yīng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，具體分為均勻密度結(jié)構(gòu)及變密度結(jié)構(gòu)等。

2 國(guó)外鏤空點(diǎn)陣設(shè)計(jì)軟件發(fā)展現(xiàn)狀

作者先后對(duì)PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四個(gè)國(guó)外知名軟件的鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行了調(diào)研，下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 PTC CREO

2010年10月，美國(guó)PTC公司推出全新的CAD設(shè)計(jì)軟件包CREO，該產(chǎn)品整合了PTC公司的參數(shù)化建模技術(shù)、直接建模技術(shù)和三維可視化技術(shù)，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(shè)計(jì)”(design for additive manufacturing，DFAM)，加入了增材制造集成設(shè)計(jì)和性能分析等功能，從而更便捷高效的完成輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。以鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，不論是2D還是3D晶格，都可以對(duì)晶格單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。在框架生成方面，支持隨機(jī)、共形以及過(guò)渡類(lèi)型的晶格框架。此外，CREO內(nèi)置的分析模塊還可以對(duì)鏤空結(jié)構(gòu)添加載荷和約束，進(jìn)行初步的有限元分析。這樣設(shè)計(jì)師可以在單一環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行迭代優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)多設(shè)計(jì)目標(biāo)或多限制條件下的鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖8為CREO點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的操作界面，圖9給出了支架結(jié)構(gòu)全點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及局部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例。

2.2 Siemens NX

Siemens NX軟件是一款既靈活又功能強(qiáng)大的集成式解決方案，包括設(shè)計(jì)環(huán)境中簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)建議模型等。

在增材制造方面，2017年NX軟件實(shí)現(xiàn)與Materialise的增材制造技術(shù)全面集成，從而使其進(jìn)一步適應(yīng)增材制造技術(shù)的發(fā)展，其中就包括鏤空點(diǎn)陣生成技術(shù)。針對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，NX的Lattice模塊內(nèi)置15種晶格結(jié)構(gòu)，并提供規(guī)則、隨型、隨機(jī)三種晶格框架，可以快速地在模型內(nèi)部生成各種復(fù)雜的點(diǎn)陣晶格，同時(shí)支持多種邊界修剪模式，使生成的鏤空結(jié)構(gòu)更加符合工程應(yīng)用要求。圖10給出了NX的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面。

2.3 Autodesk Netfabb

Netfabb系列軟件是由軟件巨頭Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)業(yè)的3D打印軟件。Netfabb中的晶格助手模塊可以幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。軟件內(nèi)置了24種常用的晶格類(lèi)型，同時(shí)提供自定義晶格結(jié)構(gòu)功能，可以根據(jù)實(shí)際需求創(chuàng)建新的晶格單元。軟件還具有鏤空結(jié)構(gòu)優(yōu)化引擎，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)驗(yàn)證和優(yōu)化晶格和外觀元素，以滿(mǎn)足負(fù)載要求并減輕重量。圖11給出了Netfabb的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面，圖12為利用Netfabb設(shè)計(jì)的具有鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(shí)，是世界上最大的3D打印供應(yīng)商之一，一直專(zhuān)業(yè)從事各種增材制造軟件解決方案、工程和3D打印服務(wù)。

Magics是一款業(yè)內(nèi)領(lǐng)先、針對(duì)增材制造而打造的通用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和STL編輯軟件，具備STL文件格式轉(zhuǎn)換、修復(fù)、設(shè)計(jì)編輯、打印平臺(tái)準(zhǔn)備等多項(xiàng)功能。在鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，Magics內(nèi)置晶格結(jié)構(gòu)非常豐富，多達(dá)28種晶格單元，同時(shí)支持導(dǎo)入自定義的晶格結(jié)構(gòu)，其操作界面如圖13所示。在晶格設(shè)置方面，可以選擇有無(wú)外殼、利用晶格替換零件內(nèi)部或零件減去晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及能夠選擇填充結(jié)構(gòu)的方向，具有非常大的設(shè)計(jì)自由度。圖14給出了由Magics生成的仿“蜘蛛”鈦合金點(diǎn)陣支架。

表1對(duì)上述四種軟件在鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的功能進(jìn)行了對(duì)比，可以看到四種軟件都內(nèi)置了常見(jiàn)的晶格單元類(lèi)型，同時(shí)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(kuò)展了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力。在框架設(shè)計(jì)方面，所有軟件均支持規(guī)則形狀及隨型和隨機(jī)的框架生成方式。此外，作者還利用上述四種軟件分別對(duì)如圖15所示的桿件進(jìn)行鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的生成測(cè)試，結(jié)果顯示所有軟件均能在1 min內(nèi)完成，與傳統(tǒng)CAD建模軟件相比，其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率大大提高。

表1 四種軟件鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

作為一項(xiàng)“變革性”技術(shù)，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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于超高的比強(qiáng)度和比模量，同時(shí)還具有吸能、散熱、隔音及減震等功能，成為理想的零件結(jié)構(gòu)形式。雖然增材制造能夠解決點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造問(wèn)題，但傳統(tǒng)CAD建模方法在創(chuàng)建大規(guī)模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)效率極其低下，并不適用于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此開(kāi)發(fā)面向增材制造的鏤空點(diǎn)陣設(shè)計(jì)軟件顯得尤為重要，而目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的商用軟件。本文在分析鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成方式的基礎(chǔ)上，對(duì)PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四個(gè)國(guó)外知名軟件的鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行了對(duì)比分析。這些國(guó)外CAD軟件巨頭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)積累與迭代，在DFAM方面均提供了良好的支持。針對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上述軟件都內(nèi)置了豐富的晶格單元庫(kù)，同時(shí)支持隨型、隨機(jī)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。這些軟件在功能點(diǎn)和操作邏輯上對(duì)于開(kāi)發(fā)自主的DFAM工業(yè)軟件具有借鑒意義。