參數化設計是將工程本身編寫為函數與過程，通過修改初始條件并經計算機計算得到工程結果的設計過程，實現設計過程的自動化。早期在建筑領域使用較為廣泛，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合增材制造的參數化軟件。Grasshopper、nTopology、Hyperganic 、3-matic、Netfabb、3D-xpert的六種典型參數化設計軟件分析對比。

1. Grasshopper

Grasshopper（簡稱GH）是一款可視化編程語言，它基于Rhino平臺運行，是數據化設計方向的主流軟件之一,獨特之處在于使用一個個電池盒子來記錄建模過程，通過邏輯關系將所有盒子串聯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（這里建議導出Binary二進位格式，數據量更小)，然后導入3D打印軟件中進行檢查和修復才能打印。

2.nTopology

nTopology是一款面向增材制造的高效設計平臺。包含了晶格設計，拓撲優(yōu)化，衍生式設計，仿真模擬等模塊。工程師可通過調用若干個預置工具包、或自主開發(fā)定制的工具包，建立一個工作流，進而實現復雜幾何結構的參數化設計。其中晶格設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構，用戶也可以自己在Rule Library Bulider模塊中修改創(chuàng)建自己的晶胞結構。而仿真模擬模塊可以導入SIMSOLID或Abaqus 的模擬結果，隨后軟件可通過導入的數據自動生成變密度晶格結構。

圖2  nTopology晶格庫中的一些晶胞結構

圖3  通過仿真結果生成的變密度晶格結構

而nTopology中最特殊的在于采用的隱式建模技術（Implicit Modeling），這是一種基于數學函數或隱式模型的驅動式設計技術，優(yōu)勢在于有更快的設計速度和更小的運行內存。我們知道一般晶格結構都有較大的數據量，使得在修改時軟件很容易卡頓，這個技術無疑能夠很好的解決這一點，提高用戶使用效率。
由于nTopology基于隱式建模，雖然能描述任意復雜實體，但建模過程不如顯式的邊界表示直觀，學習曲線較為陡峭。實際使用過程中工程師會以CAD模型為設計空間，輔以nTopology做復雜實體的設計。

3.Hyperganic

Hyperganic公司作為一個創(chuàng)業(yè)公司，成立于2015年，該軟件專注于設計復雜的3D打印結構，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計包。Hyperganic類似一組云端軟件接口，將設計、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打印機參數，晶格參數等一系列控制參數后，可輸出直接用于3D打印機的格式，實現全自動流程。例如輸入一個鞋中底模型后，通過調節(jié)可變參數，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計流程，Hyperganic幾乎沒有可手動調節(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來改變。

4.3-matic

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

圖5  3-matic的表面紋理功能及紋理庫

圖6  3-matic的輕量化設計功能及晶格庫

而在2017年，西門子與Materialize達成合作，將3-matic中的輕量化設計功能整合到NX軟件中的增材制造模塊，實現了增減材制造的集成式設計。

圖7  NX中的增材制造模塊

但3-matic的晶格的隨形設計和點陣的排布主要依靠UV-mapped的劃分，這也導致點陣的分布不夠靈活，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，具有模型設計（修復、擺放），優(yōu)化（晶格設計、拓撲優(yōu)化），打印準備（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，用戶可根據分析結果在優(yōu)化時直接修改設計，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)點在于可直接使用本地CAD實體而不用將其轉換為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，而輕量化設計模塊中有隨形，均質、徑向、隨機、最小曲面等參數晶格，并且可實時顯示已選擇的晶格的元素數量，如角度、節(jié)點、體積，孔隙率等，幫助用戶更快的設計出可3D打印的晶格結構。

圖10  3D-xpert晶格參數顯示

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

來源：SCRAT3D，作者： 張淑琴

參數化設計是將工程本身編寫為函數與過程，通過修改初始條件并經計算機計算得到工程結果的設計過程，實現設計過程的自動化。早期在建筑領域使用較為廣泛，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合增材制造的參數化軟件。Grasshopper、nTopology、Hyperganic 、3-matic、Netfabb、3D-xpert的六種典型參數化設計軟件分析對比。

1. Grasshopper

Grasshopper（簡稱GH）是一款可視化編程語言，它基于Rhino平臺運行，是數據化設計方向的主流軟件之一,獨特之處在于使用一個個電池盒子來記錄建模過程，通過邏輯關系將所有盒子串聯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（這里建議導出Binary二進位格式，數據量更小)，然后導入3D打印軟件中進行檢查和修復才能打印。

2.nTopology

nTopology是一款面向增材制造的高效設計平臺。包含了晶格設計，拓撲優(yōu)化，衍生式設計，仿真模擬等模塊。工程師可通過調用若干個預置工具包、或自主開發(fā)定制的工具包，建立一個工作流，進而實現復雜幾何結構的參數化設計。其中晶格設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構，用戶也可以自己在Rule Library Bulider模塊中修改創(chuàng)建自己的晶胞結構。而仿真模擬模塊可以導入SIMSOLID或Abaqus 的模擬結果，隨后軟件可通過導入的數據自動生成變密度晶格結構。

圖2  nTopology晶格庫中的一些晶胞結構

圖3  通過仿真結果生成的變密度晶格結構

而nTopology中最特殊的在于采用的隱式建模技術（Implicit Modeling），這是一種基于數學函數或隱式模型的驅動式設計技術，優(yōu)勢在于有更快的設計速度和更小的運行內存。我們知道一般晶格結構都有較大的數據量，使得在修改時軟件很容易卡頓，這個技術無疑能夠很好的解決這一點，提高用戶使用效率。
由于nTopology基于隱式建模，雖然能描述任意復雜實體，但建模過程不如顯式的邊界表示直觀，學習曲線較為陡峭。實際使用過程中工程師會以CAD模型為設計空間，輔以nTopology做復雜實體的設計。

3.Hyperganic

Hyperganic公司作為一個創(chuàng)業(yè)公司，成立于2015年，該軟件專注于設計復雜的3D打印結構，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計包。Hyperganic類似一組云端軟件接口，將設計、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打印機參數，晶格參數等一系列控制參數后，可輸出直接用于3D打印機的格式，實現全自動流程。例如輸入一個鞋中底模型后，通過調節(jié)可變參數，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計流程，Hyperganic幾乎沒有可手動調節(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來改變。

4.3-matic

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

圖5  3-matic的表面紋理功能及紋理庫

圖6  3-matic的輕量化設計功能及晶格庫

而在2017年，西門子與Materialize達成合作，將3-matic中的輕量化設計功能整合到NX軟件中的增材制造模塊，實現了增減材制造的集成式設計。

圖7  NX中的增材制造模塊

但3-matic的晶格的隨形設計和點陣的排布主要依靠UV-mapped的劃分，這也導致點陣的分布不夠靈活，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，具有模型設計（修復、擺放），優(yōu)化（晶格設計、拓撲優(yōu)化），打印準備（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，用戶可根據分析結果在優(yōu)化時直接修改設計，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)點在于可直接使用本地CAD實體而不用將其轉換為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，而輕量化設計模塊中有隨形，均質、徑向、隨機、最小曲面等參數晶格，并且可實時顯示已選擇的晶格的元素數量，如角度、節(jié)點、體積，孔隙率等，幫助用戶更快的設計出可3D打印的晶格結構。

圖10  3D-xpert晶格參數顯示

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

來源：SCRAT3D，作者： 張淑琴