SCRAT3D | 全球六款典型参数化设计软件分析对比(SCRAT3D)

参数化设计是将工程本身写成函数和过程，通过修改初始条件和计算机计算得到工程结果，从而实现设计过程自动化的设计过程。它在早期建筑领域得到了广泛的应用。随着3D打印的发展和普及，越来越多的软件厂商开始推出可以添加制造的参数化软件。分析和比较了六种典型的参数化设计软件：Grasshopper、nTopology、Hyperganic、3-matic、Netfabb和3D-xpert。
1.蝗虫
Grasshopper(简称GH)是一种可视化编程语言，运行在rhino平台上，是数据设计方向的主流软件之一。它的独特之处在于用电池盒来记录建模过程，所有的盒子通过逻辑关系串联起来，形成一个定制的包。由于插件是基于rhino本身开放的，其内部模块可以与Rhino完美融合，配合使用时操作更高效、更快捷。同时，gh包含近千个插件供用户自由选择和使用。如果有编程基础，他们甚至可以自己开发插件，非常开放灵活。
图1 GH电池组自动生成的童鞋鞋底
但是作为一个设计软件，gh生成的模型还是需要烘焙出来，以stl格式输出(这里建议导出二进制格式，数据量更小)，然后导入到3D打印软件中进行检查和修复，再进行打印。
2 .拓扑学
NTopology是一个高效的增材制造设计平台。它包括点阵设计、拓扑优化、衍生设计、仿真等模块。工程师可以通过调用几个预置的工具包或者自主开发定制的工具包来建立工作流程，进而实现复杂几何结构的参数化设计。在点阵设计模块中，有一个软件提供的点阵库，包含十多种单元结构。用户还可以在规则库构建器模块中修改和创建自己的单元结构。仿真模块可以导入SIMSOLID或Abaqus的仿真结果，然后软件通过导入的数据自动生成变密度点阵结构。
图2拓扑晶格库中的一些晶胞结构
图3模拟结果生成的变密度晶格结构
n-nTopology最特别的部分是隐式建模技术，这是一种基于数学函数或隐式模型的驱动设计技术。其优点是设计速度快，运行内存小。我们知道一般的格子结构数据量大，容易让软件在修改的时候卡壳。这项技术无疑可以很好的解决这个问题，提高用户的效率。
由于nTopology基于隐式建模，虽然可以描述任何复杂实体，但建模过程不如显式边界表示直观，学习曲线较陡。在实际使用中，工程师会以CAD模型为设计空间，辅以nTopology来设计复杂实体。
3.高血糖症
Hyperganic公司作为一家创业公司，成立于2015年。该软件专注于设计复杂的3D打印结构，功能类似于nTopology。与一般软件厂商卖软件的思路不同，Hyperganic更倾向于为客户提供定制化的云平台设计包。Hyperganic类似于一套云软件接口，集成了设计、仿真、自动布局、切片等所有功能。在云平台上。在输入客户的3D打印机参数、点阵参数等一系列控制参数后。可以输出直接用于3D打印机的格式，实现全自动流程。例如，输入中底模型后，通过调整可变参数，可以自动生成cli切片格式的3D打印格子鞋底。
图4 Hyperganic基于3D打印鞋的定制云平台
然而，它也是基于完全自动化的设计过程。Hyperganic几乎没有可以手动调节的功能。如果中间的点阵生成或放置方向不理想，用户无法通过手动微调来改变。
4.3-自动
3-matic是Materislise公司生产的基于数字CAD(stl)的正向工程软件，所有操作都基于三角面片进行处理。提到Materislise公司，大部分3D打印用户应该对它的Magics软件比较熟悉，这与Magics主要服务于3D打印机的功能不同，比如修复模型、构建支撑、切片等。3-matic的主要功能是生成复杂的表面纹理和设计轻量化结构。
图5 3-matic的表面纹理函数和纹理库
图6 3-matic的轻量化设计功能和点阵库
2017年，西门子与Materialize达成合作，将3-matic中的轻量化设计功能集成到NX软件中的增材制造模块中，实现了增材制造的一体化设计。
图7 NX中的增材制造模块
然而，3-matic点阵的保形设计和点阵的排列主要依赖于UV-mapped的划分，这也导致了点阵分布的不灵活性。尤其是曲面符合时，UV贴图的划分容易变形，导致晶格分布不均匀。
5.Netfabb
Netfabb也是一款3D打印软件，2015年被Autodesk- Autodesk收购。它具有模型设计(修复、放置)、优化(点阵设计、拓扑优化)、印刷准备(设置支架、切片)、印刷仿真(变形分析仿真、热处理分析、撒粉叶片干涉分析)等模块。基于内置的仿真实用程序和优化实用程序模块，用户可以根据分析结果在优化时直接修改设计，可以提高零件3D打印的成功率，降低工艺试错成本。这个功能在金属印刷中尤其重要。
图8 netfabb的优化实用模块
6.3D专家
3D-xpert是3D打印公司3D Systems开发的金属3D打印一站式解决方案软件。涵盖了金属增材制造的全过程。优点是可以直接使用本地CAD实体，无需转换成STL，建模和打印可以无缝集成，不需要在多个软件程序之间切换，保持设计的完整性。
图9 3D-xpert的一站式解决方案流程
3D-xpert的3D建模模块具有Cimatron的所有建模功能，而轻量级设计模块具有保形、均匀、径向、随机、最小曲面等参数化网格，可以实时显示所选网格的元素个数，如角度、节点、体积、孔隙度等。帮助用户更快地设计3D可打印晶格结构。
图10 3D-xpert点阵参数显示
但软件的轻量化设计模块具有简单的随形功能，只能随形一面，阻碍了许多复杂曲面的点阵设计。
作者：北京思卡特科技有限公司(SCRAT3D)张淑琴