使用ZBrush革新制造业仿生网格设计如何使用3D工具为汽车行业及其他行业构建轻质部件

托马斯·斯波达(Thomas Spoida)是一名才华横溢的航空工程师，对轻型建筑充满热情，他曾在赛车领域工作，后来进入一家汽车制造公司的企业研究部门，该公司欢迎他关于新材料和技术的想法。然而不幸的是，变革的实施成本太高。

Spoida并不气馁，他致力于研究让构造轻量级组件变得更加经济实惠的方法。最终，解决方案很清晰——巧妙的顶层优化和细分，他使用ZBrush和CAD的组合实现了这一点。


仿生网格设计
我们与Spoida讨论了将拓扑优化转化为可制造几何形状的过程如何能够彻底改变许多行业，以及他的公司，总部位于德国的Bionic Mesh Design，致力于使每个人都可以获得和负担得起轻型建筑。

说说你自己，是什么让你在2020年创立了自己的公司。
Spoida:在我学习航空航天工程的时候，轻质结构深深吸引了我。在这个领域，轻型结构的好处是显而易见的:一个更轻的飞机，无论是火箭还是飞机，都可以携带更多的载荷和/或拥有更远的航程。有几种材料和制造工艺可供选择，但大多数都非常昂贵，如3D打印。


整个领域对我来说都很缓慢和保守，所以当我完成学业后，我进入了赛车领域，在赛车领域，轻质结构在车辆设计中起着核心作用，对空气动力学很重要，所以成本不那么重要。

在创建我的公司之前，我在一家大型汽车制造商的研发部门工作了10年，对我来说，将我在赛车领域的轻质结构经验转移到大规模生产的零部件开发上是一项挑战。零部件成本在制造业中起着非常重要的作用，所以赛车的材料和工艺是不可能的。

很早就很清楚，轻质结构只能来自组件的形状，这意味着它们只能包含必要的材料。拓扑优化可用于寻找部件的理想形状，因为软件从仿真模型中移除了与施加的力无关的所有区域。

你是如何发现3D软件可以作为流程的一部分的？
Spoida:首先，我想解释一下拓扑优化通常会生成非常有机的形状，所以可以把它想象成大自然如何让一棵树生长。没有直角或锐边。要将拓扑优化结果转化为实际零件，必须在CAD中重建输出。

通常，这是通过CAD中的参数化实体建模来完成的，但这仅允许在非常有限的程度上再现优化后的有机形状，并且您不可能获得最轻的组件。

今天，细分建模被集成到所有CAD工具中，并且通常被宣传为一种设计和造型功能，但是，根据我们的经验，它们不如为此目的设计的3D建模工具那样快速和强大，并且它们没有雕刻功能。

总的来说，我们的工作与艺术家使用3D工具玩游戏和拍电影没有什么不同。但是，在我们的例子中，必须首先解释拓扑优化的结果。在大多数情况下，许多孔必须封闭，因为它们会在铸造过程中造成问题。还必须设置一定的脱模角度，以便稍后可以从铸造或锻造模具中取出零件。


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我们在ZBrush中使用各种雕刻画笔进行所有的高聚建模，我们在2019年了解到这一点，当时我的雇主允许我们飞往洛杉矶，与Pixologic会面。我们与奥弗·阿龙、海梅·拉贝尔、约瑟夫·德鲁斯特和保罗·加布里一起度过了紧张的两天，讨论ZBrush在工程中的应用。

结果，这些家伙在很短的时间内实现了我们需要的两个特性，这对我们来说绝对是一个改变。最后，它总是关于得到尽可能低的多边形数，因为我们希望将细分导入CAD，并允许我们的客户在CAD细分建模工具中调整它们。

多说说细分如何让从优化到生产的连续过程成为可能。
Spoida:完整的开发周期现在是基于网格的。利用细分造型，我们可以在很短的时间内生成所谓的设计空间。这意味着我们要为要优化的器件填充可用的设计空间。用ZBrush可以非常轻松地做到这一点，我们可以确定我们真的利用了最后一个拐角，从优化中获得了可能最轻的部分。


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模拟或优化也是在网格上进行的，这些网格不是多边形网格，但可以从它们派生出来。在设计阶段之后，我们继续制造组件。除了铸造，锻造也起着主要作用。锻造部件的供应商接收我们称之为“毛坯”的最终几何形状，或者在通过铣削加工之前从锻造中落下的几何形状。

锻造不是一步到位的。它从一个厚而圆的金属圆筒开始，经过几道锻造工序成为最终部件。这些中间步骤的几何形状通常必须以很高的成本在CAD中设计，但是细分建模使得该过程更快且更精确。在最简单的情况下，SubD几何体只是适应最终的几何图形，而不改变拓扑结构。

这种新型细分建模对制造业，尤其是汽车行业有什么影响。
Spoida:像ZBrush这样的3D建模工具可以用来在极短的时间内建模机械零件，到目前为止，轻量化还没有在汽车行业发挥作用。由于拓扑优化和细分的实施，我们现在能够为正常的大规模生产过程(如铸造和锻造)开发极其轻质的组件。

根据制造过程，我们要么结合ZRemesher使用雕刻，要么直接用ZModeler重新拓扑化拓扑。


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这是有益的，原因有很多。轻量级组件需要的材料更少，因此可以省钱。例如，如果我们必须优化铸造部件，我们不改变制造工艺，我们只是尽可能减少材料投入，这反映在部件成本中。

近年来，电动汽车的话题变得越来越重要，而且势头越来越猛。但是电动汽车有内燃机汽车没有的挑战，特别是里程问题。从逻辑上讲，车辆越重，需要加速的质量就越大，这对行驶里程有直接影响。

电池是决定航程的主要因素，但它们非常重，你不能安装任何尺寸的电池来获得更大的航程。这就是为什么让车辆的其余结构尽可能轻变得更加重要。更轻的车辆有助于节省宝贵的能源，并且随着时间的推移更加可持续。

仿生网格设计如何与客户合作？
Spoida:在大多数情况下，我们提供从生成设计空间、拓扑优化和重新拓扑直到CAD集成的完整服务。然而，在某些情况下，客户提交了一个拓扑优化结果，我们只需要重新进行拓扑化。

汽车对我们来说起着重要的作用，但对运输发挥作用的所有其他行业来说，可以从轻量化中受益，如海军工业和航空航天。