浅谈数字设计与制造软件在3D打印领域的应用(上) 

2020-10-14 09:53 发布

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编者按:本文来自微信公众号“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3) 作者:唐云龙,3D打印资源库经授权发布。

工欲善其事必先利其器。
3D打印的软件与硬件共同影响着从设计到成形中的关键步骤。而这些关键的步骤决定着产品的成败和优劣。而在专业领域的算法和软件在行业中依然欠缺,在中国的情况尤为如此。

靖哥有幸邀请了唐云龙博士,为我们解读数字设计与制造软件在3D打印领域的应用。唐博士对此方向做了全方位的解读,而本话题也将分为两期来分享,敬请关注。

【作者简介】
唐云龙,博士,2017年9月毕业于加拿大麦吉尔大学机械工程系,博士导师。目前就职于澳大利亚蒙纳士大学,机械与航空工程系及材料科学与工程系,任讲师一职。其主要研究方向为,数字化设计与制造技术,先进增材制造技术,面向增材制造的产品设计与优化,以及智能制造系统关键技术。

浅谈数字设计与制造软件在3D打印领域的应用(上)

对于任何一台3D打印设备,无论是熔融沉积,还是激光烧结,数字设计与制造软件均贯穿于其使用过程中的每一个环节。可以简单地说,数字设计与制造软件就是3D打印机的灵魂。今天我们就一起来探讨一下在3D打印过程需要哪些核心数字设计与制造软件,并且对其发展趋势进行一个简要的展望。

面向3D打印的三维建模及设计软件

要说到3D打印的相关软件,还是得从设计说起。如果没有三维设计及建模软件,再好的3D打印机都会因为没有任何文件可以输入变成废料一堆。对于3D打印来说,三维设计及建模软件是其所加工零件的主要信息来源。

为了构建用于打印的三维模型,通常我们有三种不同的设计方法。第一种是传统的,也是大家所熟悉的正向设计。所谓正向设计,也就是根据功能需求,通过建模软件构建零件的三维模型。支持正向设计的CAD软件大致上可分为两类。第一类如Solidworks, NX, CATIA, FreeCAD(囊中羞涩的小伙伴可以考虑)为代表的基于参数化特征建模的三维CAD软件(如图一所示)。此类软件广泛应用于产品的正向设计中。其特点是易学易用易理解,缺点是很难对复杂结构零件进行有效地表达。

第二类软件是以Rhino, Blender为代表的基于曲面或者网格的三维建模软件(如图二所示)。他们通常被用于具有复杂外形的产品(Rhino),以及动画人物(Blender)的建模与渲染(注:其实CATIA的自由曲面造型也不错,只是其价格比Rhino贵好几个数量级)。然而其对简单规则的几何形状的操作就没有像第一类CAD软件那样容易。

除了上述两类传统三维设计建模软件外,最近Generative Design (创成式设计)或者基于拓扑优化的设计也非常的火。其代表如Autodesk的创成设计工具(笔者并没真正用过,只是看见其介绍)以及Altair的Inspire (这款软件对学生还是很友好的,免费使用)。但是整体来说这类拓扑优化或者创成式设计软件并不能完全脱离传统CAD软件而单独使用。

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图1 Solidworks基于特征的建模(https://blogs.solidworks.com/sol ... odology-part-3.html)

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图2基于Blender的多孔网格建模(https://www.blendernation.com/20 ... eated-with-blender/

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图3 Altair Inspire

除了正向设计外,另外一种广泛应用的设计方法就是逆向设计。所谓逆向设计,顾名思义,就是现有产品或者想要设计的几何模型的外形,通过扫描(曲面扫描,CT扫描)的方式获得物理实体的几何外形数据,通过几何数据重构的方式构建需要打印的三维模型实体。这里的几何数据重构可以分为基于点云或三角面片的实体模型重构如GeomagicDesign X,3-MATICS,或者基于CT扫描的三维模型重构,如Mimics 或者3D Slicer。

除上述两种主要的设计方法外,我们还可以通过将正向设计软件与逆向设计方法相结合,实现所谓的混合设计。如基于CT扫描的定制化人工植物就是典型的混合设计案例。首先,我们需要基于CT图像进行病人的相关组织的三维重构,然后基于重构的模型进行人工植入物的正向设计。
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图4基于CT图像的医学模型三维重构(https://www.materialise.com/en/m ... vation-suite/mimics

面向3D打印的模型预处理及工艺准备软件

当获取需要打印的零件的三维模型后,下一步我们需要将模型输入到我们的打印机进行加工了。但是加工前我们还需要注意几个关键的步骤,也就是模型的预处理和工艺准备。
所谓的预处理,就是我们可能需要对模型进行一些格式转换,操作以及修复。对于模型的转换,大多数3D打印机或者切片软件仅仅支持三角面片(stl, obj)格式的几何模型输入。然而我们设计中,大多数软件的直接输出是基于边界表示法(Brep)的实体模型。因此我们需要将实体模型转换成多边形面片模型。

大多时候,模型的转换可以直接在三维建模软件内完成。然而有些时候,三维建模软件所生成的网格并不是那么尽如人意,或者我们模型是通过点云重建,有那么一些瑕疵。这时候我们就需要专业的网格修复软件来帮助我们。

常用的网格修复软件有GeomagicWrap(贵但很好用),Meshlab(免费),Meshmixer(免费)。这些软件能帮助你生成或者优化你的模型,让其能够正确的被打印机或者工艺规划软件识别。这些网格修复软件除了能修复网格外,还能对网格进行一些基本的操作和微调,能有助于你进一步地控制打印零件的形状。
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图5 网格空洞修复MeshLab(https://wiki.imal.org/howto/how-fix-scan)

模型修复以后,下一步就是要摆盘了。没听错吧,摆盘?是的,你没听错,3D打印其实和烤蛋糕或者做菜差不多,都需要摆盘。对于3D打印,摆盘有两点需要注意,第一是零件自身的打印方向(Orientation),不同打印方向对零件的变形,支撑,几何精度还有材料性能都是有影响。

第二是零件和零件之间的相对位置。同样的打印空间,如果你懂得如何合理的安排空间,能够摆放更多的零件。和做菜一样,摆盘是门手艺活,当你技术或者火候还没到家的时候,辅助工艺准备软件就是你最好的选择。一些软件如MaterialiseMagics 已经将模型修复和摆盘融合到一起(图6,图7所示),帮助你摆盘加支撑,让一位新手就能做一桌美味的3D打印大餐不再是梦。
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图6 Magics 模型摆放位置优化以及支撑添加(https://3dprintingindustry.com/n ... ptimization-143062/

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图7 Magics, SLS激光烧结零件位置摆放(https://www.materialise.com/en/s ... dules/sinter-module

小结

本期唐博士从模型的设计生成到成形件在3D打印设备中的空间位置进行了分析。在硬件方向,中国已经产生了一些具有国际影响力和知名度的3D打印设备公司;而在软件方面,中国具有国际影响力,能够为行业服务的产品和公司何时能够冒出水面?值得我们期待。

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