編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：唐云龍，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

工欲善其事必先利其器。

3D打印的軟件與硬件共同影響著從設(shè)計到成形中的關(guān)鍵步驟。而這些關(guān)鍵的步驟決定著產(chǎn)品的成敗和優(yōu)劣。而在專業(yè)領(lǐng)域的算法和軟件在行業(yè)中依然欠缺，在中國的情況尤為如此。

靖哥有幸邀請了唐云龍博士，為我們解讀數(shù)字設(shè)計與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。唐博士對此方向做了全方位的解讀，而本話題也將分為兩期來分享，敬請關(guān)注。

【作者簡介】

唐云龍，博士，2017年9月畢業(yè)于加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系，博士導(dǎo)師。目前就職于澳大利亞蒙納士大學(xué)，機(jī)械與航空工程系及材料科學(xué)與工程系，任講師一職。其主要研究方向為，數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，先進(jìn)增材制造技術(shù)，面向增材制造的產(chǎn)品設(shè)計與優(yōu)化，以及智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

淺談數(shù)字設(shè)計與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用（上）

對于任何一臺3D打印設(shè)備，無論是熔融沉積，還是激光燒結(jié)，數(shù)字設(shè)計與制造軟件均貫穿于其使用過程中的每一個環(huán)節(jié)。可以簡單地說，數(shù)字設(shè)計與制造軟件就是3D打印機(jī)的靈魂。今天我們就一起來探討一下在3D打印過程需要哪些核心數(shù)字設(shè)計與制造軟件，并且對其發(fā)展趨勢進(jìn)行一個簡要的展望。

面向3D打印的三維建模及設(shè)計軟件

要說到3D打印的相關(guān)軟件，還是得從設(shè)計說起。如果沒有三維設(shè)計及建模軟件，再好的3D打印機(jī)都會因為沒有任何文件可以輸入變成廢料一堆。對于3D打印來說，三維設(shè)計及建模軟件是其所加工零件的主要信息來源。

為了構(gòu)建用于打印的三維模型，通常我們有三種不同的設(shè)計方法。第一種是傳統(tǒng)的，也是大家所熟悉的正向設(shè)計。所謂正向設(shè)計，也就是根據(jù)功能需求，通過建模軟件構(gòu)建零件的三維模型。支持正向設(shè)計的CAD軟件大致上可分為兩類。第一類如Solidworks, NX, CATIA, FreeCAD(囊中羞澀的小伙伴可以考慮)為代表的基于參數(shù)化特征建模的三維CAD軟件（如圖一所示）。此類軟件廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的正向設(shè)計中。其特點是易學(xué)易用易理解，缺點是很難對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行有效地表達(dá)。

第二類軟件是以Rhino, Blender為代表的基于曲面或者網(wǎng)格的三維建模軟件（如圖二所示）。他們通常被用于具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品（Rhino），以及動畫人物(Blender)的建模與渲染（注：其實CATIA的自由曲面造型也不錯，只是其價格比Rhino貴好幾個數(shù)量級）。然而其對簡單規(guī)則的幾何形狀的操作就沒有像第一類CAD軟件那樣容易。

除了上述兩類傳統(tǒng)三維設(shè)計建模軟件外，最近Generative Design （創(chuàng)成式設(shè)計）或者基于拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計也非常的火。其代表如Autodesk的創(chuàng)成設(shè)計工具（筆者并沒真正用過，只是看見其介紹）以及Altair的Inspire (這款軟件對學(xué)生還是很友好的，免費使用)。但是整體來說這類拓?fù)鋬?yōu)化或者創(chuàng)成式設(shè)計軟件并不能完全脫離傳統(tǒng)CAD軟件而單獨使用。

圖1 Solidworks基于特征的建模(https://blogs.solidworks.com/sol ... odology-part-3.html)

圖2基于Blender的多孔網(wǎng)格建模（https://www.blendernation.com/20 ... eated-with-blender/）

圖3 Altair Inspire

除了正向設(shè)計外，另外一種廣泛應(yīng)用的設(shè)計方法就是逆向設(shè)計。所謂逆向設(shè)計，顧名思義，就是現(xiàn)有產(chǎn)品或者想要設(shè)計的幾何模型的外形，通過掃描（曲面掃描，CT掃描）的方式獲得物理實體的幾何外形數(shù)據(jù)，通過幾何數(shù)據(jù)重構(gòu)的方式構(gòu)建需要打印的三維模型實體。這里的幾何數(shù)據(jù)重構(gòu)可以分為基于點云或三角面片的實體模型重構(gòu)如GeomagicDesign X，3-MATICS，或者基于CT掃描的三維模型重構(gòu)，如Mimics 或者3D Slicer。

除上述兩種主要的設(shè)計方法外，我們還可以通過將正向設(shè)計軟件與逆向設(shè)計方法相結(jié)合，實現(xiàn)所謂的混合設(shè)計。如基于CT掃描的定制化人工植物就是典型的混合設(shè)計案例。首先，我們需要基于CT圖像進(jìn)行病人的相關(guān)組織的三維重構(gòu)，然后基于重構(gòu)的模型進(jìn)行人工植入物的正向設(shè)計。

圖4基于CT圖像的醫(yī)學(xué)模型三維重構(gòu)（https://www.materialise.com/en/m ... vation-suite/mimics）

面向3D打印的模型預(yù)處理及工藝準(zhǔn)備軟件

當(dāng)獲取需要打印的零件的三維模型后，下一步我們需要將模型輸入到我們的打印機(jī)進(jìn)行加工了。但是加工前我們還需要注意幾個關(guān)鍵的步驟，也就是模型的預(yù)處理和工藝準(zhǔn)備。

所謂的預(yù)處理，就是我們可能需要對模型進(jìn)行一些格式轉(zhuǎn)換，操作以及修復(fù)。對于模型的轉(zhuǎn)換，大多數(shù)3D打印機(jī)或者切片軟件僅僅支持三角面片（stl， obj）格式的幾何模型輸入。然而我們設(shè)計中，大多數(shù)軟件的直接輸出是基于邊界表示法（Brep）的實體模型。因此我們需要將實體模型轉(zhuǎn)換成多邊形面片模型。

大多時候，模型的轉(zhuǎn)換可以直接在三維建模軟件內(nèi)完成。然而有些時候，三維建模軟件所生成的網(wǎng)格并不是那么盡如人意，或者我們模型是通過點云重建，有那么一些瑕疵。這時候我們就需要專業(yè)的網(wǎng)格修復(fù)軟件來幫助我們。

常用的網(wǎng)格修復(fù)軟件有GeomagicWrap(貴但很好用)，Meshlab（免費），Meshmixer(免費)。這些軟件能幫助你生成或者優(yōu)化你的模型，讓其能夠正確的被打印機(jī)或者工藝規(guī)劃軟件識別。這些網(wǎng)格修復(fù)軟件除了能修復(fù)網(wǎng)格外，還能對網(wǎng)格進(jìn)行一些基本的操作和微調(diào)，能有助于你進(jìn)一步地控制打印零件的形狀。

圖5 網(wǎng)格空洞修復(fù)MeshLab(https://wiki.imal.org/howto/how-fix-scan)

模型修復(fù)以后，下一步就是要擺盤了。沒聽錯吧，擺盤？是的，你沒聽錯，3D打印其實和烤蛋糕或者做菜差不多，都需要擺盤。對于3D打印，擺盤有兩點需要注意，第一是零件自身的打印方向（Orientation）,不同打印方向?qū)α慵淖冃?，支撐，幾何精度還有材料性能都是有影響。

第二是零件和零件之間的相對位置。同樣的打印空間，如果你懂得如何合理的安排空間，能夠擺放更多的零件。和做菜一樣，擺盤是門手藝活，當(dāng)你技術(shù)或者火候還沒到家的時候，輔助工藝準(zhǔn)備軟件就是你最好的選擇。一些軟件如MaterialiseMagics 已經(jīng)將模型修復(fù)和擺盤融合到一起（圖6，圖7所示），幫助你擺盤加支撐，讓一位新手就能做一桌美味的3D打印大餐不再是夢。

圖6 Magics 模型擺放位置優(yōu)化以及支撐添加（https://3dprintingindustry.com/n ... ptimization-143062/）

圖7 Magics, SLS激光燒結(jié)零件位置擺放（https://www.materialise.com/en/s ... dules/sinter-module）

小結(jié)

本期唐博士從模型的設(shè)計生成到成形件在3D打印設(shè)備中的空間位置進(jìn)行了分析。在硬件方向，中國已經(jīng)產(chǎn)生了一些具有國際影響力和知名度的3D打印設(shè)備公司；而在軟件方面，中國具有國際影響力，能夠為行業(yè)服務(wù)的產(chǎn)品和公司何時能夠冒出水面？值得我們期待。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：唐云龍，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

工欲善其事必先利其器。

3D打印的軟件與硬件共同影響著從設(shè)計到成形中的關(guān)鍵步驟。而這些關(guān)鍵的步驟決定著產(chǎn)品的成敗和優(yōu)劣。而在專業(yè)領(lǐng)域的算法和軟件在行業(yè)中依然欠缺，在中國的情況尤為如此。

靖哥有幸邀請了唐云龍博士，為我們解讀數(shù)字設(shè)計與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。唐博士對此方向做了全方位的解讀，而本話題也將分為兩期來分享，敬請關(guān)注。

【作者簡介】

唐云龍，博士，2017年9月畢業(yè)于加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系，博士導(dǎo)師。目前就職于澳大利亞蒙納士大學(xué)，機(jī)械與航空工程系及材料科學(xué)與工程系，任講師一職。其主要研究方向為，數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，先進(jìn)增材制造技術(shù)，面向增材制造的產(chǎn)品設(shè)計與優(yōu)化，以及智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

淺談數(shù)字設(shè)計與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用（上）

對于任何一臺3D打印設(shè)備，無論是熔融沉積，還是激光燒結(jié)，數(shù)字設(shè)計與制造軟件均貫穿于其使用過程中的每一個環(huán)節(jié)。可以簡單地說，數(shù)字設(shè)計與制造軟件就是3D打印機(jī)的靈魂。今天我們就一起來探討一下在3D打印過程需要哪些核心數(shù)字設(shè)計與制造軟件，并且對其發(fā)展趨勢進(jìn)行一個簡要的展望。

面向3D打印的三維建模及設(shè)計軟件

要說到3D打印的相關(guān)軟件，還是得從設(shè)計說起。如果沒有三維設(shè)計及建模軟件，再好的3D打印機(jī)都會因為沒有任何文件可以輸入變成廢料一堆。對于3D打印來說，三維設(shè)計及建模軟件是其所加工零件的主要信息來源。

為了構(gòu)建用于打印的三維模型，通常我們有三種不同的設(shè)計方法。第一種是傳統(tǒng)的，也是大家所熟悉的正向設(shè)計。所謂正向設(shè)計，也就是根據(jù)功能需求，通過建模軟件構(gòu)建零件的三維模型。支持正向設(shè)計的CAD軟件大致上可分為兩類。第一類如Solidworks, NX, CATIA, FreeCAD(囊中羞澀的小伙伴可以考慮)為代表的基于參數(shù)化特征建模的三維CAD軟件（如圖一所示）。此類軟件廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的正向設(shè)計中。其特點是易學(xué)易用易理解，缺點是很難對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行有效地表達(dá)。

第二類軟件是以Rhino, Blender為代表的基于曲面或者網(wǎng)格的三維建模軟件（如圖二所示）。他們通常被用于具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品（Rhino），以及動畫人物(Blender)的建模與渲染（注：其實CATIA的自由曲面造型也不錯，只是其價格比Rhino貴好幾個數(shù)量級）。然而其對簡單規(guī)則的幾何形狀的操作就沒有像第一類CAD軟件那樣容易。

除了上述兩類傳統(tǒng)三維設(shè)計建模軟件外，最近Generative Design （創(chuàng)成式設(shè)計）或者基于拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計也非常的火。其代表如Autodesk的創(chuàng)成設(shè)計工具（筆者并沒真正用過，只是看見其介紹）以及Altair的Inspire (這款軟件對學(xué)生還是很友好的，免費使用)。但是整體來說這類拓?fù)鋬?yōu)化或者創(chuàng)成式設(shè)計軟件并不能完全脫離傳統(tǒng)CAD軟件而單獨使用。

圖1 Solidworks基于特征的建模(https://blogs.solidworks.com/sol ... odology-part-3.html)

圖2基于Blender的多孔網(wǎng)格建模（https://www.blendernation.com/20 ... eated-with-blender/）

圖3 Altair Inspire

除了正向設(shè)計外，另外一種廣泛應(yīng)用的設(shè)計方法就是逆向設(shè)計。所謂逆向設(shè)計，顧名思義，就是現(xiàn)有產(chǎn)品或者想要設(shè)計的幾何模型的外形，通過掃描（曲面掃描，CT掃描）的方式獲得物理實體的幾何外形數(shù)據(jù)，通過幾何數(shù)據(jù)重構(gòu)的方式構(gòu)建需要打印的三維模型實體。這里的幾何數(shù)據(jù)重構(gòu)可以分為基于點云或三角面片的實體模型重構(gòu)如GeomagicDesign X，3-MATICS，或者基于CT掃描的三維模型重構(gòu)，如Mimics 或者3D Slicer。

除上述兩種主要的設(shè)計方法外，我們還可以通過將正向設(shè)計軟件與逆向設(shè)計方法相結(jié)合，實現(xiàn)所謂的混合設(shè)計。如基于CT掃描的定制化人工植物就是典型的混合設(shè)計案例。首先，我們需要基于CT圖像進(jìn)行病人的相關(guān)組織的三維重構(gòu)，然后基于重構(gòu)的模型進(jìn)行人工植入物的正向設(shè)計。

圖4基于CT圖像的醫(yī)學(xué)模型三維重構(gòu)（https://www.materialise.com/en/m ... vation-suite/mimics）

面向3D打印的模型預(yù)處理及工藝準(zhǔn)備軟件

當(dāng)獲取需要打印的零件的三維模型后，下一步我們需要將模型輸入到我們的打印機(jī)進(jìn)行加工了。但是加工前我們還需要注意幾個關(guān)鍵的步驟，也就是模型的預(yù)處理和工藝準(zhǔn)備。

所謂的預(yù)處理，就是我們可能需要對模型進(jìn)行一些格式轉(zhuǎn)換，操作以及修復(fù)。對于模型的轉(zhuǎn)換，大多數(shù)3D打印機(jī)或者切片軟件僅僅支持三角面片（stl， obj）格式的幾何模型輸入。然而我們設(shè)計中，大多數(shù)軟件的直接輸出是基于邊界表示法（Brep）的實體模型。因此我們需要將實體模型轉(zhuǎn)換成多邊形面片模型。

大多時候，模型的轉(zhuǎn)換可以直接在三維建模軟件內(nèi)完成。然而有些時候，三維建模軟件所生成的網(wǎng)格并不是那么盡如人意，或者我們模型是通過點云重建，有那么一些瑕疵。這時候我們就需要專業(yè)的網(wǎng)格修復(fù)軟件來幫助我們。

常用的網(wǎng)格修復(fù)軟件有GeomagicWrap(貴但很好用)，Meshlab（免費），Meshmixer(免費)。這些軟件能幫助你生成或者優(yōu)化你的模型，讓其能夠正確的被打印機(jī)或者工藝規(guī)劃軟件識別。這些網(wǎng)格修復(fù)軟件除了能修復(fù)網(wǎng)格外，還能對網(wǎng)格進(jìn)行一些基本的操作和微調(diào)，能有助于你進(jìn)一步地控制打印零件的形狀。

圖5 網(wǎng)格空洞修復(fù)MeshLab(https://wiki.imal.org/howto/how-fix-scan)

模型修復(fù)以后，下一步就是要擺盤了。沒聽錯吧，擺盤？是的，你沒聽錯，3D打印其實和烤蛋糕或者做菜差不多，都需要擺盤。對于3D打印，擺盤有兩點需要注意，第一是零件自身的打印方向（Orientation）,不同打印方向?qū)α慵淖冃?，支撐，幾何精度還有材料性能都是有影響。

第二是零件和零件之間的相對位置。同樣的打印空間，如果你懂得如何合理的安排空間，能夠擺放更多的零件。和做菜一樣，擺盤是門手藝活，當(dāng)你技術(shù)或者火候還沒到家的時候，輔助工藝準(zhǔn)備軟件就是你最好的選擇。一些軟件如MaterialiseMagics 已經(jīng)將模型修復(fù)和擺盤融合到一起（圖6，圖7所示），幫助你擺盤加支撐，讓一位新手就能做一桌美味的3D打印大餐不再是夢。

圖6 Magics 模型擺放位置優(yōu)化以及支撐添加（https://3dprintingindustry.com/n ... ptimization-143062/）

圖7 Magics, SLS激光燒結(jié)零件位置擺放（https://www.materialise.com/en/s ... dules/sinter-module）

小結(jié)

本期唐博士從模型的設(shè)計生成到成形件在3D打印設(shè)備中的空間位置進(jìn)行了分析。在硬件方向，中國已經(jīng)產(chǎn)生了一些具有國際影響力和知名度的3D打印設(shè)備公司；而在軟件方面，中國具有國際影響力，能夠為行業(yè)服務(wù)的產(chǎn)品和公司何時能夠冒出水面？值得我們期待。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。