面向增材制造的镂空点阵结构设计模块分析

梁 雄 杜 平 朱丽君 张余益 王 佐 罗 勇 李双寿

(①清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 100084；②清华大学基础工业训练中心，北京 100084)

增材制造(additive manufacturing，AM)，通常也被称作为3D打印[1]。与传统制造工艺不同，增材制造技术以数字模型为基础，通过将三维零件分层切片，再逐层堆积材料的方式进行制造[2]。增材制造技术的优势主要体现在如下三个方面[3]：一是无需模具，适合产品原型、试制零件、个性化定制；二是制造成本对设计的复杂性不敏感，适合制造复杂形状的产品，如一体化结构、轻量化点阵结构、仿生学设计、梯度合金等；三是增材制造可以以近净成形的方式来获得零件毛坯，在机床上进行小余量的切除就可以获得想要的零件，极大地减少材料的浪费。

增材制造是一项“变革性”技术，在诸多领域具有重大应用潜力[4-5]。据国外专业机构预测，到2025年增材制造技术产业的产值将达2 000～6 000亿美元，增长空间巨大[6]。在技术不断提升的背景下，增材制造技术已从一般消费品制造，拓宽到航空航天、医疗器械等高端装备研发制造领域当中[7]，成为中国制造2025的发展重点。《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》的出台也代表了国家对增材制造的重视[8]。

由于增材制造最大的优势在于各种复杂结构的实现上，因此结构的设计创新和优化是增材制造深化应用的核心[9]。在面向增材制造的结构设计研究方面，镂空点阵结构作为一种轻质、多功能结构受到越来越多学者的关注，已成为增材制造的重点研究领域[10-11]。所谓镂空点阵结构，是指由大量形状相同或相似的晶格单元通过某种形式的周期性排列而形成的多孔结构。自然界中存在天然的镂空结构，如骨骼、海绵以及皮肤等[12]。图1即为采用点阵结构设计制造的机械零件。镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学与动力学性能以及制造费用的完美平衡。同时由于点阵结构高度的空间对称性可以均匀分解外部载荷，在实现减重的同时不降低结构的承载能力，例如MIT研究的一种超轻架构材料可承受其自身重量16万倍的载荷，如图2所示[13]。

产品的三维模型是后续加工制造的基础[14]，虽然镂空点阵结构可以通过增材制造的方式进行加工，但传统的基于边界表达法的CAD建模方法却很难完成在几何和尺度上如此复杂的结构的设计，这极大地限制了增材制造技术的发展空间[15]。通过数字化与创成式设计实现复杂增材制造结构的高效设计势在必行，而工业软件在其中起着举足轻重的作用。在增材制造结构设计与优化方面，目前最先进的技术还是掌握在国外几个巨头手上，如PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics等。国内的中国空间技术研究院和中望CAD也做了一些工作，但总体水平上与国外的差距还较大。

中国智能制造要在未来走到国际前列，掌握拥有自主产权的核心技术非常有必要，其中CAD软件的国产化对智能制造的重要性不言而喻。增材制造大大释放了对复杂结构零件的制造能力，其中镂空点阵结构作为理想的轻量化结构而备受关注。本文意在对目前国外主流增材制造软件在镂空结构设计方面的功能进行分析对比，以期对开发国产化的增材制造工业软件提供参考。

1 点阵结构简介及其生成方式

点阵结构是通过对晶格单元进行某种形式的排列形成的，图3给出了点阵结构生成的示意图，可以看出晶格单元是点阵结构的基结构。图4给出了常用的晶格单元示意图。实际中可以根据零部件具体使用要求设计不同的单元类型。

根据晶格单元填充方式的不同，点阵结构可以分为规则点阵、随型点阵以及随机点阵等不同的形式[16]，如图5所示。其中规则点阵的晶格单元以周期形式填充整个模型区域，与边界相交的单元将被裁减；随型点阵的晶格单元在填充域的边界处通过保形映射与域边界保持一致；随机点阵则是通过一定的随机算法在填充域内产生随机分布的晶格单元。

从图4和图5可以看到，点阵结构具有十分复杂的空间构型，传统CAD建模系统在构建大规模的点阵填充结构时往往建模效率低下。张登辉[17]对几种主流的建模软件在构建典型晶格几何模型时的难易程度进行了对比，如图6所示。以CATIA为例，当其构建一个Octet晶格单元时，需要多达91次操作才能完成。由此可见传统建模方法并不适用于点阵结构。

从图3可以看出，点阵结构设计需解决的核心问题包括如下三点：

(1)晶格设计。晶格是镂空结构中最基本的单元，晶格需支持从2.5D(三角形、正方形、长方形、六边形、八边形等)到3D(立方、体心立方、面心立方、X形、八角点阵晶格等)的多种晶格单元，同时最好能够支持用户自定义晶格单元。

(2)框架生成。给定初始拓扑结构和约束条件，快速构造框架的一种技术。给定晶格类型、晶格尺寸及晶格数量，生成基本的晶格箱框架，包括规则的方形或圆柱形框架，以及复杂的贴合曲面曲率的随型框架等。

(3)镂空结构体生成。在确定晶格单元和框架结构之后，需要在镂空区域生成对应的实体结构，具体分为均匀密度结构及变密度结构等。

2 国外镂空点阵设计软件发展现状

作者先后对PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四个国外知名软件的镂空结构设计模块进行了调研，下面分别对其进行介绍。

2.1 PTC CREO

2010年10月，美国PTC公司推出全新的CAD设计软件包CREO，该产品整合了PTC公司的参数化建模技术、直接建模技术和三维可视化技术，将完全替代已经使用了20多年的Pro/Engineer这一知名CAD软件品牌。

从CREO4.0起，该软件支持“面向增材制造设计”(design for additive manufacturing，DFAM)，加入了增材制造集成设计和性能分析等功能，从而更便捷高效的完成轻量化结构的设计工作。以镂空点阵结构为例，不论是2D还是3D晶格，都可以对晶格单元进行参数化设计，以实现个性化定制。在框架生成方面，支持随机、共形以及过渡类型的晶格框架。此外，CREO内置的分析模块还可以对镂空结构添加载荷和约束，进行初步的有限元分析。这样设计师可以在单一环境下对模型进行迭代优化，从而实现多设计目标或多限制条件下的镂空结构设计。图8为CREO点阵结构设计的操作界面，图9给出了支架结构全点阵结构及局部点阵结构的设计实例。

2.2 Siemens NX

Siemens NX软件是一款既灵活又功能强大的集成式解决方案，包括设计环境中简单的设计优化作业流程，性能优化的解算器以及快速生成光顺的设计建议模型等。

在增材制造方面，2017年NX软件实现与Materialise的增材制造技术全面集成，从而使其进一步适应增材制造技术的发展，其中就包括镂空点阵生成技术。针对点阵结构设计，NX的Lattice模块内置15种晶格结构，并提供规则、随型、随机三种晶格框架，可以快速地在模型内部生成各种复杂的点阵晶格，同时支持多种边界修剪模式，使生成的镂空结构更加符合工程应用要求。图10给出了NX的点阵结构设计界面。

2.3 Autodesk Netfabb

Netfabb系列软件是由软件巨头Autodesk公司开发的一款专业的3D打印软件。Netfabb中的晶格助手模块可以帮助设计师进行点阵结构的设计。软件内置了24种常用的晶格类型，同时提供自定义晶格结构功能，可以根据实际需求创建新的晶格单元。软件还具有镂空结构优化引擎，可实现自动验证和优化晶格和外观元素，以满足负载要求并减轻重量。图11给出了Netfabb的点阵结构设计界面，图12为利用Netfabb设计的具有镂空点阵结构的零件。

2.4 Materialise Magics

Materialise(玛瑞斯)于1990年成立，公司总部位于比利时，是世界上最大的3D打印供应商之一，一直专业从事各种增材制造软件解决方案、工程和3D打印服务。

Magics是一款业内领先、针对增材制造而打造的通用数据准备和STL编辑软件，具备STL文件格式转换、修复、设计编辑、打印平台准备等多项功能。在镂空结构设计方面，Magics内置晶格结构非常丰富，多达28种晶格单元，同时支持导入自定义的晶格结构，其操作界面如图13所示。在晶格设置方面，可以选择有无外壳、利用晶格替换零件内部或零件减去晶格点阵结构以及能够选择填充结构的方向，具有非常大的设计自由度。图14给出了由Magics生成的仿“蜘蛛”钛合金点阵支架。

表1对上述四种软件在镂空点阵结构设计方面的功能进行了对比，可以看到四种软件都内置了常见的晶格单元类型，同时除NX外其他三种软件都具有自定义晶格功能，这在一定程度上扩展了点阵结构的设计能力。在框架设计方面，所有软件均支持规则形状及随型和随机的框架生成方式。此外，作者还利用上述四种软件分别对如图15所示的杆件进行镂空点阵结构的生成测试，结果显示所有软件均能在1 min内完成，与传统CAD建模软件相比，其点阵结构设计效率大大提高。

表1 四种软件镂空点阵结构设计功能对比

3 结语

作为一项“变革性”技术，增材制造的出现大大拓展了产品的可制造空间。镂空点阵结构由于超高的比强度和比模量，同时还具有吸能、散热、隔音及减震等功能，成为理想的零件结构形式。虽然增材制造能够解决点阵结构的制造问题，但传统CAD建模方法在创建大规模点阵结构时效率极其低下，并不适用于点阵结构的设计，因此开发面向增材制造的镂空点阵设计软件显得尤为重要，而目前国内还没有相关的商用软件。本文在分析镂空点阵结构生成方式的基础上，对PTC CREO、Siemens NX、Autodesk Netfabb、Materialise Magics四个国外知名软件的镂空结构设计模块进行了对比分析。这些国外CAD软件巨头经过长期的技术积累与迭代，在DFAM方面均提供了良好的支持。针对点阵结构设计，上述软件都内置了丰富的晶格单元库，同时支持随型、随机等晶格框架生成，并且其建模效率相比传统CAD软件有巨大提升，因而大大降低了镂空点阵结构的设计复杂度。这些软件在功能点和操作逻辑上对于开发自主的DFAM工业软件具有借鉴意义。