路明村                澳汰爾、北京

    摘 要: solidThinking 的兩款軟件 Inspire 和 Evolve 配合 3D 打印使用，可以形成一個優質的設計流程，幫助設計人員考慮傳統設計方法中很難解決的問題，將產品的輕量化設計發揮 到極致，同時還能讓產品性能有所提升。 

    關鍵詞: 3D 打印 輕量化 優化設計

    1 solidThinking 與 3D 打印概述 

    1.1 solidThinking 產品概述 

    solidThinking 一直致力于探索世界領先的設計理念和創新技術。近年來產品發展迅速， 兩款軟件 solidThinking Inspire 及 solidThinking Evolve 在產品優化及設計方面，為客戶提供極具建設性意義的解決方案，幫助用戶設計性能更優、質量更輕、成本更省、造型更美觀的產品，在多個領域獲得了用戶的廣泛肯定。 

    solidThinking Inspire 為設計工程人員提供“仿真驅動設計”的創新解決方案。它采用 Altair 先進的 OptiStruct 優化求解器，根據給定的設計空間、材料屬性以及受力需求生成理 想的形狀。設計人員可根據優化結果進行再設計。隨后還能對優化結果或重構幾何進行分析 驗證。 

    solidThinking Evolve 為設計人員提供完整的三維建模及渲染環境。在同一建模環境中， 融合了 NURBS 建模、多邊形建模及實體建模，并且三種建模方式全部基于 Parasolid 實體 核心。設計人員可以構建任意復雜幾何形狀，并穩定對接后續流程。同時，設計人員還可以 利用 Evolve 先進的歷史結構進程功能，不斷推敲模型，最終進行渲染表現。

    1.2 關于3D 打印技術 

    3D 打印技術是近幾年來國內外最為火爆的話題之一，從消費產品到藝術品，從汽車制 造到航空航天等各領域都可以看到該技術的廣泛應用。3D 打印全稱為“增材制造技術（Additive Manufacturing）”，采用材料逐層累積的方法制造實體。相對于傳統制造方法中 的材料去除技術，它是一種“自下而上”的制造方法。它的優勢在于可以使用“恰好需要” 的材料進行制造，節省了材料成本，同時能夠實現任意復雜的實體形態，而不用太多考慮 制造工藝的約束。在小批量定制、復雜產品實現、樣機實驗等方面具有非常明顯的優勢。

    1.3 solidThinking 對接3D 打印案例及優勢解析 

    作為三維設計軟件，solidThinking 與 3D 打印的對接可謂緊密，并已深入應用到眾多 國內外設計項目中，成為令人矚目的全新解決方案。 案例 1. solidThinking Inspire 輔助設計全球首輛 3D 打印自行車

    英國著名增材制造廠商雷尼紹（Renishaw）與自行車廠商 Empire Cycles 合作，設計 并制造了世界首輛全 3D 打印自行車。在這個項目中，自行車的車座桿部分使用了 solidThinking Inspire 進行拓撲優化，優化結果經過重新設計后以鈦合金材質打印出來，相 較原始坐桿質量降低 45%。在這個案例中，由 Inspire 進行優化，可以保證在材料最省的 情況下滿足支撐需求。由于優化結果并非標準結構，新設計很難用傳統制造方式實現，因 此，金屬 3D 打印成為最優制造方式，把輕量化結構優勢發揮到最大。

                                                              圖 1 solidThinking Inspire 拓撲優化輔助設計 3D 打印自行車坐桿 

    案例 2. solidThinking Inspire 及 Evolve 輔助設計衛星支架

                                                                圖 2 solidThinking Inspire 及 Evolve 輔助設計 3D 打印衛星支架

    在瑞士知名跨國集團 RUAG 的衛星支架設計項目中，同時使用了 solidThinking 兩款 軟件 Inspire 及 Evolve。首先通過 Inspire 優化找到最優支架結構，由于該優化結果造型復 雜，此項目還使用了 Evolve 多邊形建模方式構建幾何模型。基于 Evolve 的 Parasolid 實 體核心，該設計結果還可以進行精確的打孔、修建等實體操作，能夠與后續工程良好對接。 最終該支架結構由金屬 3D 打印實現，并成功送入太空。 

    案例 3. solidThinking Evolve 輔助青瓷產品設計

                                                              圖 3 solidThinking Evolve 進行青瓷產品的設計、渲染，并對接 3D 打印

    在青瓷等藝術產品的設計項目中，solidThinking Evolve 可以發揮其強大的創意優勢， 完全不受傳統 CAD 軟件的限制。例如圖中的青瓷瓶身設計，設計師使用 NURBS 曲面構 建，基于 Evolve 的結構歷史進程，設計師可以隨意調整曲線以控制曲面造型。而對于有機 造型的雙耳，在 Evolve 中可以通過多邊形建模方式輕松實現。并且基于實體核心，瓶身和 雙耳可利用布爾運算的方式合并成一體，直接導出進行整體 3D 打印。打印模型可作為樣 品進行造型推敲，也可以直接翻模批量制造。在這個過程中，由于 Evolve 的自由建模方式 和交互式調整特點，可以幫助設計師不斷產生新的靈感，并實時對造型進行控制與評測。

    通過以上案例可以看出，solidThinking Inspire 及 Evolve 都可以單獨對接 3D 打印， 也可以配合使用，幫助設計人員加速設計流程。并且在這個流程中，solidThinking 兩個產 品特點明顯，與 3D 打印相輔相成，不可或缺，形成真正為用戶創造價值的解決方案。

    3 solidThinking 產品對接 3D 打印操作流程

    本文選用雷尼紹（Renishaw）的開瓶器模型作為對象，使用 solidThinking 兩款產品 Inspire 和 Evolve 進行優化設計。以下為操作流程。

    1. 在 solidThinking Evolve 中構建幾何模型 

    在 Evolve 中通過多邊形建模方式，構建與原開瓶器類似的幾何模型。

                                                             圖 4 solidThinking Evolve 多邊形建模重構復雜的開瓶器幾何模型

    2. 在 solidThinking Inspire 中進行應力分析

    將該模型導入 Inspire，模擬開瓶器使用情況，在 Inspire 中為其施加固定約束及壓力， 隨后點擊分析按鈕，獲得分析結果。從圖中可以看出，在開瓶器前段內凹處，應力云圖 出現紅色區域，表示該區域可能出現應力集中。因此我們將要使用 Inspire 拓撲優化的 方式找到更好的結構。

                                                             圖 5 對開瓶器原始模型進行應力分析

    3. 在 solidThinking Evolve 中重構幾何 

    根據原始模型，利用 Evolve 重構一個實體幾何，這個新的形狀需與原始模型外輪廓類 似，但內部填充為實體。隨后將該模型導入 Inspire 中，新模型將作為下一步優化時的 設計空間使用。

                                                                圖 6 利用 solidThinking Evolve 構建新的優化空間

    4. 在 solidThinking Inspire 中進行拓撲優化 

    在 Inspire 中施加與之前相同的工況與載荷，選擇優化目標為最大剛度，保留優化體積為原始模型的 30%。隨之進行優化并獲得優化結果如下。從圖中可以看出，大部分材料 都已被去除，只保留了前部受力部分的材料，獲得了最精簡的結構基礎。

                                                                圖 7 利用 solidThinking Inspire 進行新結構優化

    5. 在 solidThinking Evolve 中重新設計

    根據上一步優化結果，在 Evolve 進行造型設計。從圖中可看出，開瓶器優化后主要保 留了前部結構，后面由于受力小或不受力，材料被移除掉了。但是考慮到使用便捷和美 觀性，在重新進行造型設計時，作者對材料分布進行了適當調整。

                                                                 圖 8 利用 solidThinking Evolve 設計符合優化結果的全新造型

    6. 對新模型進行測試

    在 solidThinking Inspire 中對新模型進行應力仿真分析。從圖中可以看出，整個模型應 力云圖分布均勻，未出現之前的應力集中問題。并且對新舊兩個模型的最大應力進行比 較，發現新模型性能提升了近 50%。

                                                                圖 9 利用 solidThinking Inspire 對新模型進行應力分析

    隨后，在 Evolve 中使用體積計算工具，獲得新模型與原始模型的質量對比，發現新模 型質量降低 22%。

                                                                 圖 10 新舊兩模型的體積對比

    7. 模型打印。 

    由于該模型造型復雜，無法用傳統的開模具、鑄造等方式實現，因此只能通過金屬 3D 打印機打印出來。

    4 結論 

    通過以上案例可以看出，solidThinking 兩款軟件配合 3D 打印使用，可以形成一個優質 的設計流程，幫助設計人員考慮傳統設計方法中無法涉及或很難解決的問題，將產品的輕量 化設計發揮到極致，同時還能讓產品性能有所提升。

                                                                圖 11 solidThinking 產品對接 3D 打印的全新設計流程 

     目前這種高效的設計方法已在航空航天、汽車、制造等行業廣泛應用并獲得了贊譽。我 們有理由相信，solidThinking 對接 3D 打印，將會成為未來最為普遍和耀眼的制造方式之一。

 

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