SCRAT3D | 全球六款典型参数化设计软件分析对比

参数化设计是将工程本身编写为函数与过程，通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程，实现设计过程的自动化。早期在建筑领域使用较为广泛，随着3D打印的发展普及，越来越多的软件商也开始推出了可结合增材制造的参数化软件。Grasshopper、nTopology、Hyperganic 、3-matic、Netfabb、3D-xpert的六种典型参数化设计软件分析对比。

1. Grasshopper

Grasshopper（简称GH）是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，是数据化设计方向的主流软件之一,独特之处在于使用一个个电池盒子来记录建模过程，通过逻辑关系将所有盒子串联起来形成一个定制程序包，由于该插件是基于rhino本身开放，其内部模块都能完美的和rhino集成在一起，配合使用操作更加高效快捷。同时gh中含有近千种插件可供用户自由搭配选择使用，有编程基础的话甚至可以自己开发插件，开放性和灵活性都非常高。

图1 使用gh电池组自动生成的童鞋鞋底

但是作为一个设计软件，gh生成的模型最后仍需bake出来，输出stl格式（这里建议导出Binary二进位格式，数据量更小)，然后导入3D打印软件中进行检查和修复才能打印。

2.nTopology

nTopology是一款面向增材制造的高效设计平台。包含了晶格设计，拓扑优化，衍生式设计，仿真模拟等模块。工程师可通过调用若干个预置工具包、或自主开发定制的工具包，建立一个工作流，进而实现复杂几何结构的参数化设计。其中晶格设计模块中有软件自带的晶格库可供使用，里面含有十几种晶胞结构，用户也可以自己在Rule Library Bulider模块中修改创建自己的晶胞结构。而仿真模拟模块可以导入SIMSOLID或Abaqus 的模拟结果，随后软件可通过导入的数据自动生成变密度晶格结构。

图2 nTopology晶格库中的一些晶胞结构

图3 通过仿真结果生成的变密度晶格结构

而nTopology中最特殊的在于采用的隐式建模技术（Implicit Modeling），这是一种基于数学函数或隐式模型的驱动式设计技术，优势在于有更快的设计速度和更小的运行内存。我们知道一般晶格结构都有较大的数据量，使得在修改时软件很容易卡顿，这个技术无疑能够很好的解决这一点，提高用户使用效率。

由于nTopology基于隐式建模，虽然能描述任意复杂实体，但建模过程不如显式的边界表示直观，学习曲线较为陡峭。实际使用过程中工程师会以CAD模型为设计空间，辅以nTopology做复杂实体的设计。

3.Hyperganic

Hyperganic公司作为一个创业公司，成立于2015年，该软件专注于设计复杂的3D打印结构，其功能与nTopology类似。有别于一般软件商出售软件的思路，Hyperganic更倾向为客户提供定制的云平台设计包。Hyperganic类似一组云端软件接口，将设计、模拟、自动摆放、切片等功能全部集成在该云平台上。输入客户的3D打印机参数，晶格参数等一系列控制参数后，可输出直接用于3D打印机的格式，实现全自动流程。例如输入一个鞋中底模型后，通过调节可变参数，可自动生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

图4 Hyperganic基于3D打印鞋的定制云平台

但也是基于全自动化的设计流程，Hyperganic几乎没有可手动调节的功能，如果中途晶格生成或者摆放方向不够理想，用户无法通过手工微调来改变。

4.3-matic

3-matic是Materislise公司出品的基于数字化CAD（stl）的正向工程软件，所有操作都是基于三角面片进行处理。提到Materislise公司，大部分3D打印用户对其下的Magics软件应该不陌生，不同于Magics主要用于模型的修复，搭建支撑，切片等服务于3D打印机的功能，3-matic主要功能在于生成复杂的表面纹理和轻量化结构的设计。

图5 3-matic的表面纹理功能及纹理库

图6 3-matic的轻量化设计功能及晶格库

而在2017年，西门子与Materialize达成合作，将3-matic中的轻量化设计功能整合到NX软件中的增材制造模块，实现了增减材制造的集成式设计。

图7 NX中的增材制造模块

但3-matic的晶格的随形设计和点阵的排布主要依靠UV-mapped的划分，这也导致点阵的分布不够灵活，尤其是遇到曲面随形时，UV-mapped的划分容易变形，从而引起点阵分布不均匀。

5. Netfabb

Netfabb也是一个3D打印软件，在2015年被Autodesk-欧特克收购，具有模型设计（修复、摆放），优化（晶格设计、拓扑优化），打印准备（搭建支撑、切片），打印仿真（变形分析模拟、热处理分析、铺粉刮刀干涉分析）等模块。基于自带的Simulation Utility 和Optimization Utility模块，用户可根据分析结果在优化时直接修改设计，提高零件3D打印成功率，降低工艺试错成本，这个功能尤其在金属打印中比较重要。

图8 Netfabb的Optimization Utility模块

6.3D-xpert

3D-xpert是3D打印公司3D Systems研发的金属3D打印一站式解决方案软件。涵盖了金属增材制造的整个流程。优点在于可直接使用本地CAD实体而不用将其转换为STL，建模和打印无缝集成，也不用在多个软件程序之间切换，保持设计的完整性。

图9 3D-xpert的一站式解决流程

3D-xpert其中的三维建模模块拥有Cimatron的全部建模功能，而轻量化设计模块中有随形，均质、径向、随机、最小曲面等参数晶格，并且可实时显示已选择的晶格的元素数量，如角度、节点、体积，孔隙率等，帮助用户更快的设计出可3D打印的晶格结构。

图10 3D-xpert晶格参数显示

但该软件轻量化设计模块的随形功能还较为简单，只能做到单面随形，这阻碍了许多复杂曲面的晶格设计。

本文作者：北京斯克莱特科技有限公司（SCRAT3D） 张淑琴