參數(shù)化設(shè)計是將工程本身編寫為函數(shù)與過程，通過修改初始條件并經(jīng)計算機(jī)計算得到工程結(jié)果的設(shè)計過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程的自動化。早期在建筑領(lǐng)域使用較為廣泛，隨著3D打印的發(fā)展普及，越來越多的軟件商也開始推出了可結(jié)合增材制造的參數(shù)化軟件。Grasshopper、nTopology、Hyperganic 、3-matic、Netfabb、3D-xpert的六種典型參數(shù)化設(shè)計軟件分析對比。

1. Grasshopper

Grasshopper（簡稱GH）是一款可視化編程語言，它基于Rhino平臺運(yùn)行，是數(shù)據(jù)化設(shè)計方向的主流軟件之一,獨(dú)特之處在于使用一個個電池盒子來記錄建模過程，通過邏輯關(guān)系將所有盒子串聯(lián)起來形成一個定制程序包，由于該插件是基于rhino本身開放，其內(nèi)部模塊都能完美的和rhino集成在一起，配合使用操作更加高效快捷。同時gh中含有近千種插件可供用戶自由搭配選擇使用，有編程基礎(chǔ)的話甚至可以自己開發(fā)插件，開放性和靈活性都非常高。

圖1  使用gh電池組自動生成的童鞋鞋底

但是作為一個設(shè)計軟件，gh生成的模型最后仍需bake出來，輸出stl格式（這里建議導(dǎo)出Binary二進(jìn)位格式，數(shù)據(jù)量更小)，然后導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行檢查和修復(fù)才能打印。

2.nTopology

nTopology是一款面向增材制造的高效設(shè)計平臺。包含了晶格設(shè)計，拓?fù)鋬?yōu)化，衍生式設(shè)計，仿真模擬等模塊。工程師可通過調(diào)用若干個預(yù)置工具包、或自主開發(fā)定制的工具包，建立一個工作流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。其中晶格設(shè)計模塊中有軟件自帶的晶格庫可供使用，里面含有十幾種晶胞結(jié)構(gòu)，用戶也可以自己在Rule Library Bulider模塊中修改創(chuàng)建自己的晶胞結(jié)構(gòu)。而仿真模擬模塊可以導(dǎo)入SIMSOLID或Abaqus 的模擬結(jié)果，隨后軟件可通過導(dǎo)入的數(shù)據(jù)自動生成變密度晶格結(jié)構(gòu)。

圖2  nTopology晶格庫中的一些晶胞結(jié)構(gòu)

圖3  通過仿真結(jié)果生成的變密度晶格結(jié)構(gòu)

而nTopology中最特殊的在于采用的隱式建模技術(shù)（Implicit Modeling），這是一種基于數(shù)學(xué)函數(shù)或隱式模型的驅(qū)動式設(shè)計技術(shù)，優(yōu)勢在于有更快的設(shè)計速度和更小的運(yùn)行內(nèi)存。我們知道一般晶格結(jié)構(gòu)都有較大的數(shù)據(jù)量，使得在修改時軟件很容易卡頓，這個技術(shù)無疑能夠很好的解決這一點(diǎn)，提高用戶使用效率。
由于nTopology基于隱式建模，雖然能描述任意復(fù)雜實(shí)體，但建模過程不如顯式的邊界表示直觀，學(xué)習(xí)曲線較為陡峭。實(shí)際使用過程中工程師會以CAD模型為設(shè)計空間，輔以nTopology做復(fù)雜實(shí)體的設(shè)計。

3.Hyperganic

Hyperganic公司作為一個創(chuàng)業(yè)公司，成立于2015年，該軟件專注于設(shè)計復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)，其功能與nTopology類似。有別于一般軟件商出售軟件的思路，Hyperganic更傾向為客戶提供定制的云平臺設(shè)計包。Hyperganic類似一組云端軟件接口，將設(shè)計、模擬、自動擺放、切片等功能全部集成在該云平臺上。輸入客戶的3D打印機(jī)參數(shù)，晶格參數(shù)等一系列控制參數(shù)后，可輸出直接用于3D打印機(jī)的格式，實(shí)現(xiàn)全自動流程。例如輸入一個鞋中底模型后，通過調(diào)節(jié)可變參數(shù)，可自動生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

圖4  Hyperganic基于3D打印鞋的定制云平臺

但也是基于全自動化的設(shè)計流程，Hyperganic幾乎沒有可手動調(diào)節(jié)的功能，如果中途晶格生成或者擺放方向不夠理想，用戶無法通過手工微調(diào)來改變。

4.3-matic

3-matic是Materislise公司出品的基于數(shù)字化CAD（stl）的正向工程軟件，所有操作都是基于三角面片進(jìn)行處理。提到Materislise公司，大部分3D打印用戶對其下的Magics軟件應(yīng)該不陌生，不同于Magics主要用于模型的修復(fù)，搭建支撐，切片等服務(wù)于3D打印機(jī)的功能，3-matic主要功能在于生成復(fù)雜的表面紋理和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖5  3-matic的表面紋理功能及紋理庫

圖6  3-matic的輕量化設(shè)計功能及晶格庫

而在2017年，西門子與Materialize達(dá)成合作，將3-matic中的輕量化設(shè)計功能整合到NX軟件中的增材制造模塊，實(shí)現(xiàn)了增減材制造的集成式設(shè)計。

圖7  NX中的增材制造模塊

但3-matic的晶格的隨形設(shè)計和點(diǎn)陣的排布主要依靠UV-mapped的劃分，這也導(dǎo)致點(diǎn)陣的分布不夠靈活，尤其是遇到曲面隨形時，UV-mapped的劃分容易變形，從而引起點(diǎn)陣分布不均勻。

5. Netfabb

Netfabb也是一個3D打印軟件，在2015年被Autodesk-歐特克收購，具有模型設(shè)計（修復(fù)、擺放），優(yōu)化（晶格設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化），打印準(zhǔn)備（搭建支撐、切片），打印仿真（變形分析模擬、熱處理分析、鋪粉刮刀干涉分析）等模塊?；谧詭У腟imulation Utility 和Optimization Utility模塊，用戶可根據(jù)分析結(jié)果在優(yōu)化時直接修改設(shè)計，提高零件3D打印成功率，降低工藝試錯成本，這個功能尤其在金屬打印中比較重要。

圖8 Netfabb的Optimization Utility模塊

6.3D-xpert

3D-xpert是3D打印公司3D Systems研發(fā)的金屬3D打印一站式解決方案軟件。涵蓋了金屬增材制造的整個流程。優(yōu)點(diǎn)在于可直接使用本地CAD實(shí)體而不用將其轉(zhuǎn)換為STL，建模和打印無縫集成，也不用在多個軟件程序之間切換，保持設(shè)計的完整性。

圖9  3D-xpert的一站式解決流程

3D-xpert其中的三維建模模塊擁有Cimatron的全部建模功能，而輕量化設(shè)計模塊中有隨形，均質(zhì)、徑向、隨機(jī)、最小曲面等參數(shù)晶格，并且可實(shí)時顯示已選擇的晶格的元素數(shù)量，如角度、節(jié)點(diǎn)、體積，孔隙率等，幫助用戶更快的設(shè)計出可3D打印的晶格結(jié)構(gòu)。

圖10  3D-xpert晶格參數(shù)顯示

但該軟件輕量化設(shè)計模塊的隨形功能還較為簡單，只能做到單面隨形，這阻礙了許多復(fù)雜曲面的晶格設(shè)計。

來源：SCRAT3D，作者： 張淑琴

參數(shù)化設(shè)計是將工程本身編寫為函數(shù)與過程，通過修改初始條件并經(jīng)計算機(jī)計算得到工程結(jié)果的設(shè)計過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程的自動化。早期在建筑領(lǐng)域使用較為廣泛，隨著3D打印的發(fā)展普及，越來越多的軟件商也開始推出了可結(jié)合增材制造的參數(shù)化軟件。Grasshopper、nTopology、Hyperganic 、3-matic、Netfabb、3D-xpert的六種典型參數(shù)化設(shè)計軟件分析對比。

1. Grasshopper

Grasshopper（簡稱GH）是一款可視化編程語言，它基于Rhino平臺運(yùn)行，是數(shù)據(jù)化設(shè)計方向的主流軟件之一,獨(dú)特之處在于使用一個個電池盒子來記錄建模過程，通過邏輯關(guān)系將所有盒子串聯(lián)起來形成一個定制程序包，由于該插件是基于rhino本身開放，其內(nèi)部模塊都能完美的和rhino集成在一起，配合使用操作更加高效快捷。同時gh中含有近千種插件可供用戶自由搭配選擇使用，有編程基礎(chǔ)的話甚至可以自己開發(fā)插件，開放性和靈活性都非常高。

圖1  使用gh電池組自動生成的童鞋鞋底

但是作為一個設(shè)計軟件，gh生成的模型最后仍需bake出來，輸出stl格式（這里建議導(dǎo)出Binary二進(jìn)位格式，數(shù)據(jù)量更小)，然后導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行檢查和修復(fù)才能打印。

2.nTopology

nTopology是一款面向增材制造的高效設(shè)計平臺。包含了晶格設(shè)計，拓?fù)鋬?yōu)化，衍生式設(shè)計，仿真模擬等模塊。工程師可通過調(diào)用若干個預(yù)置工具包、或自主開發(fā)定制的工具包，建立一個工作流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。其中晶格設(shè)計模塊中有軟件自帶的晶格庫可供使用，里面含有十幾種晶胞結(jié)構(gòu)，用戶也可以自己在Rule Library Bulider模塊中修改創(chuàng)建自己的晶胞結(jié)構(gòu)。而仿真模擬模塊可以導(dǎo)入SIMSOLID或Abaqus 的模擬結(jié)果，隨后軟件可通過導(dǎo)入的數(shù)據(jù)自動生成變密度晶格結(jié)構(gòu)。

圖2  nTopology晶格庫中的一些晶胞結(jié)構(gòu)

圖3  通過仿真結(jié)果生成的變密度晶格結(jié)構(gòu)

而nTopology中最特殊的在于采用的隱式建模技術(shù)（Implicit Modeling），這是一種基于數(shù)學(xué)函數(shù)或隱式模型的驅(qū)動式設(shè)計技術(shù)，優(yōu)勢在于有更快的設(shè)計速度和更小的運(yùn)行內(nèi)存。我們知道一般晶格結(jié)構(gòu)都有較大的數(shù)據(jù)量，使得在修改時軟件很容易卡頓，這個技術(shù)無疑能夠很好的解決這一點(diǎn)，提高用戶使用效率。
由于nTopology基于隱式建模，雖然能描述任意復(fù)雜實(shí)體，但建模過程不如顯式的邊界表示直觀，學(xué)習(xí)曲線較為陡峭。實(shí)際使用過程中工程師會以CAD模型為設(shè)計空間，輔以nTopology做復(fù)雜實(shí)體的設(shè)計。

3.Hyperganic

Hyperganic公司作為一個創(chuàng)業(yè)公司，成立于2015年，該軟件專注于設(shè)計復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)，其功能與nTopology類似。有別于一般軟件商出售軟件的思路，Hyperganic更傾向為客戶提供定制的云平臺設(shè)計包。Hyperganic類似一組云端軟件接口，將設(shè)計、模擬、自動擺放、切片等功能全部集成在該云平臺上。輸入客戶的3D打印機(jī)參數(shù)，晶格參數(shù)等一系列控制參數(shù)后，可輸出直接用于3D打印機(jī)的格式，實(shí)現(xiàn)全自動流程。例如輸入一個鞋中底模型后，通過調(diào)節(jié)可變參數(shù)，可自動生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

圖4  Hyperganic基于3D打印鞋的定制云平臺

但也是基于全自動化的設(shè)計流程，Hyperganic幾乎沒有可手動調(diào)節(jié)的功能，如果中途晶格生成或者擺放方向不夠理想，用戶無法通過手工微調(diào)來改變。

4.3-matic

3-matic是Materislise公司出品的基于數(shù)字化CAD（stl）的正向工程軟件，所有操作都是基于三角面片進(jìn)行處理。提到Materislise公司，大部分3D打印用戶對其下的Magics軟件應(yīng)該不陌生，不同于Magics主要用于模型的修復(fù)，搭建支撐，切片等服務(wù)于3D打印機(jī)的功能，3-matic主要功能在于生成復(fù)雜的表面紋理和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖5  3-matic的表面紋理功能及紋理庫

圖6  3-matic的輕量化設(shè)計功能及晶格庫

而在2017年，西門子與Materialize達(dá)成合作，將3-matic中的輕量化設(shè)計功能整合到NX軟件中的增材制造模塊，實(shí)現(xiàn)了增減材制造的集成式設(shè)計。

圖7  NX中的增材制造模塊

但3-matic的晶格的隨形設(shè)計和點(diǎn)陣的排布主要依靠UV-mapped的劃分，這也導(dǎo)致點(diǎn)陣的分布不夠靈活，尤其是遇到曲面隨形時，UV-mapped的劃分容易變形，從而引起點(diǎn)陣分布不均勻。

5. Netfabb

Netfabb也是一個3D打印軟件，在2015年被Autodesk-歐特克收購，具有模型設(shè)計（修復(fù)、擺放），優(yōu)化（晶格設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化），打印準(zhǔn)備（搭建支撐、切片），打印仿真（變形分析模擬、熱處理分析、鋪粉刮刀干涉分析）等模塊?；谧詭У腟imulation Utility 和Optimization Utility模塊，用戶可根據(jù)分析結(jié)果在優(yōu)化時直接修改設(shè)計，提高零件3D打印成功率，降低工藝試錯成本，這個功能尤其在金屬打印中比較重要。

圖8 Netfabb的Optimization Utility模塊

6.3D-xpert

3D-xpert是3D打印公司3D Systems研發(fā)的金屬3D打印一站式解決方案軟件。涵蓋了金屬增材制造的整個流程。優(yōu)點(diǎn)在于可直接使用本地CAD實(shí)體而不用將其轉(zhuǎn)換為STL，建模和打印無縫集成，也不用在多個軟件程序之間切換，保持設(shè)計的完整性。

圖9  3D-xpert的一站式解決流程

3D-xpert其中的三維建模模塊擁有Cimatron的全部建模功能，而輕量化設(shè)計模塊中有隨形，均質(zhì)、徑向、隨機(jī)、最小曲面等參數(shù)晶格，并且可實(shí)時顯示已選擇的晶格的元素數(shù)量，如角度、節(jié)點(diǎn)、體積，孔隙率等，幫助用戶更快的設(shè)計出可3D打印的晶格結(jié)構(gòu)。

圖10  3D-xpert晶格參數(shù)顯示

但該軟件輕量化設(shè)計模塊的隨形功能還較為簡單，只能做到單面隨形，這阻礙了許多復(fù)雜曲面的晶格設(shè)計。

來源：SCRAT3D，作者： 張淑琴