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面向3D打印的复杂产品设计综述(二)

2 形体/结构复杂性设计
        产品形体和结构设计是产品设计的重要部分,是影响产品美观的重要因素。产品形体/结构设计的关键是突破传统设计技术的思维定势( 设计为制造) ,实现设计即制造的新思路。对此,很多学者对形体/结构设计方法进行了研究。主要研究方向可以分为艺术领域的创意形体设计、工程领域的结构优化设计和CAD 建模设计。

2.1 创意形体设计
2.1.1 生长式设计

        生长式设计是按照一套既定的生长规则加上随机扰动,生长出独一无二的特定形体。该方法特点是依赖计算机强大的运算能力,通过算法生成复杂结构。3D打印技术为生长式设计提供了广阔的设计空间。Xu 等人利用林氏系统设计了分形树。该树状结构采用传统建模技术则难以设计,二者对比效果如图1 所示。Wolfram 等研究了元胞自动机成形机理,提出了一种1D 和2D 分子自动生成复杂3D 实体的方法。目前,生长式设计大多应用于艺术、影视等领域。典型方法有林氏系统( L-System) 、分形( Fractal) 等。常用的算法包括: 遗传算法( Genetic Algorithm) 、元胞自动机( CellularAutomaton) 和集群智能( Swarm Intelligence) 等。
传统建模与L 系统建模结果比较

2.1.2 数学可视化
        数学模型可视化技术是数学及应用数学的一些学者在科学计算时,运用大量数学公式、算法等将计算结果显示成直观的可视化模型。众多学者进行了大量的相关研究,设计出了众多数学可视化产品。Hart首先研究了数学可视化问题,采用3D 打印机制备了多种数学可视化模型,并开设了个人数学博物馆。2008 年,他采用桁架算法设计出了很多双曲线棋盘可视化模型。2010 年,Tang 等人研究了建筑领域的数学可视化,提出了一种数学驱动设计方法,设计了多种建筑作品。著名的克莱因瓶也实现了实体模型可视化。Hart总结了近几年的数学创意雕刻作品,如图2 所示。上述可视化结构主要采用数学公式、编程式设计等方法,虽然该方法可以表达较复杂的造型,但是仍局限于数学专业人员。

数学可视化结构

2.2 结构优化设计
        目前,面向3D 打印的结构优化技术主要有: 离散体拓扑优化和连续体拓扑优化。Graf 等人研究了桁架结构设计方法,并设计了具有单层、双层桁架结构的部件。Wang 等人研究了采用变密度拓扑优化方法设计并制造了悬臂梁组件。Engelbrecht利用离散体拓扑优化设计了一种共性桁架结构并给出该结构的设计流程。该结构特点是能随着产品结构的变形具有自适应性。Wang 等人提出了一种“蒙皮- 钢架”( Skin-Frame) 的轻质结构。该方法集尺寸优化、拓扑优化为一体,它比挖空材质和填充多孔结构等方法更具优势。Tomlin 等人研究了面向3D 打印的航空部件的拓扑优化方法,并提出了水平集拓扑优化流程。具体面向3D 打印的多种拓扑优化方法详见文献。从以上研究可以看出,3D 打印技术的发展为产品结构优化技术提供了广阔的应用空间。

2.3 基于CAD 建模软件设计
       目前,面向3D 打印的几何建模技术主要有: 实体建模、曲面建模、参数化建模和直接建模等。随着面向非专业建模软件123D、TinkerCAD 的出现,产品设计开始走向了大众化。设计者也可以采用一些典型的3D 数字化雕刻软件( 如Sculptris、Z-Brush 等) 通过简单交互操作来设计产品。基于画笔的3D 建模技术软件( 如Teddy、FiberMesh、3Doodler 等) 可以直接让新手和儿童进行3D 线框实体建模设计。2004 年,Sorkine 等人研究了物体变形变编辑技术,成功制作了笼的创意结构。2007 年,他开发了一个能用骨架控制形体的系统,其特点是可以通过调节手臂骨架进而控制手臂形体。Nealen 等人利用形状合成技术( 专业术名: 拉普拉斯微分坐标) 合成了兔子与翅膀的创意结构,在部件交界处实现了自然平滑过渡。由此可见,随着非专业建模软件的出现,产品设计开始向大众化发展,然而由于技术的局限,非专业设计软件还无法应用到工程领域。

未完待续;
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