隱式建模技術(shù) 讓“增材制造”解鎖無限潛能

作者：Blake Perez
來源：SAE 《汽車工程》雜志

作為一種基于“場”的全新設(shè)計軟件，DfAM 有助于推廣“增材制造”工藝的應(yīng)用，因為它可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低返工成本和風(fēng)險。

迭代往往可以收獲創(chuàng)新，而拒絕迭代則可以免去獲得新知識可能承擔(dān)的風(fēng)險，但這樣做的后果是，到最后即便想改變和創(chuàng)新，也將再無機會。但值得一提的是，迭代的成本相當(dāng)高。

真正的創(chuàng)新絕不僅是某個時刻的靈光一現(xiàn)，而更需要堅定不移地對最初的想法或設(shè)計進行不斷迭代和改進，大量設(shè)計和創(chuàng)新模型與方法均可證明這一點。舉個例子，大家可能都知道戴森吸塵器的出色性能，但并非所有人了解，首次面世前，戴森首款無袋真空吸塵器實際已經(jīng)經(jīng)過了超過 5000 次的迭代與測試。美國久負(fù)盛名的 F-15 鷹式戰(zhàn)機也基于原始設(shè)計，不斷迭代出性能更強的 B、C、D、E 戰(zhàn)斗機。迭代往往可以收獲創(chuàng)新，而拒絕迭代則可以免去獲得新知識可能承擔(dān)的風(fēng)險，但這樣做的后果是，到最后即便想改變和創(chuàng)新也將再無機會。

事實上，工程設(shè)計過程中的迭代可能困難重重，而且成本昂貴。任何設(shè)計修訂都會不可避免地產(chǎn)生最少數(shù)個小時的返工，而一些由于幾何尺寸造成的建模錯誤更是將導(dǎo)致一系列毫無意義的重復(fù)工作。正因如此，盡管大家已經(jīng)充分理解迭代過程對產(chǎn)品開發(fā)的重要性，但仍對這種“麻煩”存在本能的抵觸情緒。

增材制造的情況也不例外。事實上，由于存在文件編譯、配置編譯及模型分層等步驟，增材制造設(shè)計（Design for Additive Manufacturing，下簡稱 DfAM）在修改設(shè)計時需要進行的返工更多。很多情況下，DfAM 經(jīng)常作為一種“事后補救”而被應(yīng)用在工程設(shè)計的靠后環(huán)節(jié)。到了這個階段，設(shè)計人員通常僅會對部件設(shè)計進行一些小修改，比如增加一些獨立功能、給關(guān)鍵部位額外增加一點尺寸（從而保證一些關(guān)鍵尺寸不會受到加工過程的影響）等。設(shè)計人員還可以進行其他修改，從而充分挖掘增材設(shè)計的潛能。但遺憾的是，為了保證這些改動，很多配套或相關(guān)特性也必須同時進行返工。不難想象，這勢必會產(chǎn)生額外的時間成本和金錢成本。

在典型的增材設(shè)計中，設(shè)計人員必須首先使用 CAD 軟件工具將設(shè)計概念表現(xiàn)出來，然后一步步將其轉(zhuǎn)化為可以支持生產(chǎn)、打印的文件。很顯然，設(shè)計人員如需回到 CAD 階段，調(diào)整零部件的設(shè)計或幾何尺寸，則必須再一次完成后續(xù)的所有步驟，產(chǎn)生很大的工作量。即使無需回到最初的 CAD 階段，對后續(xù)任何一環(huán)的改動都會導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)的返工。

不過，軟件行業(yè)的最新發(fā)展可能會改變這種現(xiàn)狀。目前，軟件行業(yè)推出了一種基于隱式建模的開發(fā)框架，可以在設(shè)計文件改變后進行自動編譯與重建，并將多個工程知識來源集中至唯一的數(shù)據(jù)平臺，整合多種文件類型，讓整個過程更加敏捷。這種開發(fā)框架可以消除傳統(tǒng)迭代和創(chuàng)新過程中的主要障礙，并將 DfAM 無縫集成至產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中。

典型增材設(shè)計的工作流（見上表）在對任何一步的修改都必須同時考慮其他步驟的修改成本。

隱式平臺工作流（見上表）可將多個功能知識來源集中至唯一的數(shù)據(jù)平臺，整合多種文件類型。

遠(yuǎn)不止距離場
接下來，讓我們一起看看設(shè)計人員將如何設(shè)計一款輕量級增材制造剎車腳踏，并通過該例子熟悉隱式建模開發(fā)框架下的 DfAM 工作流程。

首先，我們需要確定腳踏板大致的幾何結(jié)構(gòu)。為了給這個部件減重，我們將借助該開發(fā)框架下的晶格工具，充分嘗試不同的晶格構(gòu)造。接著，設(shè)計人員會根據(jù)零部件對硬度的要求，對各個晶格類型進行加厚，并將其疊加至原始模型。

增材制造晶格結(jié)構(gòu)的通病在于晶格和覆蓋面容易剝離的問題。對此，我們可以專門創(chuàng)建一套規(guī)則，將晶格平滑地混合至表層（第三步）。如今，憑借隱式建模開發(fā)框架中的距離場，設(shè)計人員可以輕松將這種改動應(yīng)用至全局，而無需再像傳統(tǒng)工具時代那樣，逐條手動選擇模型中的每條邊，而幾何形狀的改動則意味著必須花費數(shù)小時重復(fù)這些枯燥的工作。

接著，我們的團隊決定，每個晶格的厚度應(yīng)隨其與主安裝點的距離而變化。因此，我們在內(nèi)部區(qū)域增加一個厚度可變的晶格結(jié)構(gòu)，具體厚度由從一個平面表面（紅線部分）發(fā)散出的隱式場決定。通過這種做法，我們可以保證主安裝點附近具備足夠的硬度，因為我們認(rèn)為該區(qū)域未來將承受的應(yīng)力最高。在這步里，同樣是距離場讓我們得以制定這條規(guī)則，而我們在上一步中規(guī)定的晶格與覆蓋面之間的規(guī)則依然可以重新生成。

在隱式建模開發(fā)框架下，我們可以更加充分地利用場工具，不僅僅是通過距離場來構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)，還能借助各種各樣的場（數(shù)據(jù)）構(gòu)建晶格的中觀結(jié)構(gòu)，比如應(yīng)力、熱和流體模擬數(shù)據(jù)。實際上，您可以使用任何類型的數(shù)據(jù)構(gòu)建您想要的幾何結(jié)構(gòu)。在設(shè)計剎車腳踏的例子中，我們決定使用工程師提供的Von Mises 應(yīng)力數(shù)據(jù)來修正晶格的厚度。

具體來說，我們會在應(yīng)力值更高的地方增加晶格厚度，從而提供足夠的強度。正如上文所言，在隱式建模開發(fā)架構(gòu)中，場是表達各類組件數(shù)據(jù)的“基礎(chǔ)語言”，也正是有了“場”的概念，我們才能隨心所欲地使用各種數(shù)據(jù)構(gòu)建希望的幾何結(jié)構(gòu)。

到這一步，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了制動腳踏板的幾何結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在距離將其轉(zhuǎn)化為增材制造模型只差一步，也就是創(chuàng)建輪廓切片。同樣，由于采用了這種基于距離場的開發(fā)框架，設(shè)計人員可以自由生成、指定增材工具路徑，掃描樣式，并跳過中間生成 STL 文件的過程，直接導(dǎo)出可用于加工的文件。

通常來說，設(shè)計進行到這個步驟，任何改動都會引發(fā)文件編譯、配置編譯及模型分層等一連串返工，因此設(shè)計人員已經(jīng)很難對原始模型進行更改了。不過，隱式建模則不存在類似的問題，即使我們改動了設(shè)計，之前設(shè)置的規(guī)則也仍然有效。這點不難理解，假設(shè)有這么一個場景：工程團隊已經(jīng)拿到了一組模擬數(shù)據(jù)，現(xiàn)在希望可以利用這些數(shù)據(jù)對現(xiàn)有設(shè)計進行優(yōu)化。

在傳統(tǒng)工具時代，對晶格類型和/或幾何結(jié)構(gòu)的任何修改都必須從第二步開始進行，動靜相當(dāng)大，從時間和金錢成本考慮均不容易。如今，在隱式建模開發(fā)架構(gòu)下，設(shè)計人員不僅可以高效地完成晶格類型和/或幾何結(jié)構(gòu)的更改，而且還可以自動沿用之前制定的規(guī)則，絲毫不用擔(dān)心后續(xù)步驟。比如，修改后的模型可自動沿用之前制定的厚度和混合規(guī)則，設(shè)計人員無需進行任何額外工作。事實上，這就是隱式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計的優(yōu)勢：保證快速、穩(wěn)健且保險的重建。正如上文的描述，在設(shè)計人員完成修改后，工具將自動沿用之前的規(guī)則，按照之前的工作流，生成逐步文件，直至最終生成生產(chǎn)所需的輪廓切片。

我們已經(jīng)在上文中詳細(xì)描述了設(shè)計或更改增材制造零部件的流程，而且也了解了設(shè)計人員在這種架構(gòu)下可以隨時回到之前中斷的地方進行更改，非常靈活方便。

這種新型精簡工程設(shè)計流程主要得益于隱式建模技術(shù)，允許設(shè)計人員隨時回到任何步驟進行修改且無需擔(dān)心重建的工作量和穩(wěn)定性，并配置結(jié)構(gòu)角度，最終導(dǎo)出可以直接用于加工的切片文件。這不僅可以節(jié)省設(shè)計人員的時間，而且還可以消除設(shè)計修訂和迭代的障礙。

為了向世人呈現(xiàn)一款偉大的創(chuàng)新產(chǎn)品，戴森先生共花了十五年時間，完成了 5127 次迭代。如今，基于場的設(shè)計軟件的效率更高、學(xué)習(xí)更快，設(shè)計迭代速度出現(xiàn)了指數(shù)型增長，之前十五年的工作現(xiàn)在可能僅需幾天就能完成。隱式工程工作流不僅可以安全地重構(gòu)增材制造零部件，還可以強力支持多個維度的早期設(shè)計探索，進而助力增材制造工藝的廣泛應(yīng)用，并推動未來產(chǎn)品制造方式變革的到來。