关于DfAM

近年来，增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术日趋成熟，正在深刻影响着产品设计理念。

为了充分发挥AM的潜力，基于增材的设计理念DfAM (Design for Additive Manufacturing) 应运而生。

简单来说，DfAM就是在设计之初就充分考虑3D打印各类工艺特点，并对设计进行优化，以实现性能、成本、效率的最佳平衡。

在众多机械部件中，车轮设计或许是DfAM理念的最佳应用场景之一。

传统的车轮往往是由轮辋、轮毂、轮辐等零件焊接或铆接而成，内部多为中空结构。

这种设计虽然易于制造，但在减重和优化力学性能方面却有心无力。

而采用DfAM思路，设计师可以打破传统车轮皮实、中空的形态，转而采用蜂窝状、晶格状的复杂内部结构，在保证强度的同时大幅降低重量。

这种DfAM式的车轮设计在航天领域得到了广泛应用，虽然很多已经上天的探测车的轮胎还不是用3D打印生产的，但全球许多科研单位已经在着手研发增材专用车轮了。

DfAM正被越来越多的工程师所接受。但对于初学者来说，要将DfAM思想落到实处并非易事。传统CAD软件往往针对减材制造工艺进行了优化，无法充分发挥AM的设计自由度。而先进的拓扑优化软件对于中小企业来说又成本较高。

最近，LEAP 71推出的Rover Wheels开源项目引起了AM爱好者的广泛关注。

它利用PicoGK几何内核和ShapeKernel库，通过参数化建模和坐标变换等数学方法，可以生成具有复杂内外结构的车轮模型。

用户只需调整轮毂半径、轮宽等参数，就可以快速迭代出不同的车轮方案,后直接进行3D打印。

下面请和AM易道一起来看看，如何利用Rover Wheels项目来实践DfAM理念，设计出既美观又实用的车轮吧。

设计及技术人员专区：教程指南

快速开始：下载源码，生成预设车轮

第一步，我们需要在Github上下载Rover Wheels的源代码。

初学者可以直接下载zip包，解压后将文件复制到你的VS项目文件夹中。而对于熟练的开发者，则建议以子模块的形式添加，链接到该项目的Github仓库。

接下来，在Program.cs文件中，我们可以通过调用WheelShowCase类的PresetWheelTask()方法，快速生成四种预设的车轮变体;或者调用RandomWheelTask()方法，生成一个随机外形和内部结构的车轮。

自定义车轮外形:根据关键参数确定轮廓曲线

在设计自定义车轮时，我们首先要设定轮毂半径、最大外径、参考宽度等参数，由此确定车轮的整体外形轮廓。

其中参考宽度还会影响车轮侧面的轮廓曲线。

值得注意的是，当沿径向追踪侧面轮廓时，在某一点处，轮廓线将从径向为主转为垂直方向为主，这一转折点就标志着外部轮廓的起始处。

建立三维设计空间：将二维轮廓绕轴旋转

有了这四条轮廓曲线，我们就可以在二维设计空间中对车轮进行分层，再将每层绕中心旋转，就得到了一个符合车轮外形的三维设计空间。

利用这个三维坐标系，我们可以在简单的圆柱坐标下设计各种内部结构，再通过坐标变换，使其能够贴合车轮的外部曲面。

灵活多变的内部结构：随心搭配，创意无限

接下来就是见证奇迹的时刻了。我们可以使用WheelLayer类，指定某层结构所占据的径向起止比例，就能方便地获得该层的边界形状。然后在该边界内填充不同的内部结构元素，包括:

• EgyptianStruts

• RectHoles

• RosettaStruts

• SpiralStruts

• TubeStruts

下图展示了这些内部结构元素的几何形态:

这些内部结构类都继承自WheelElements抽象基类，在实例化时需要指定所属的WheelLayer、对称性、壁厚等参数，然后调用其voxConstruct()方法，就能自动生成结构。

值得一提的是，内部结构的基础形状是在规则圆柱坐标系下定义的，再通过坐标变换映射到车轮的三维空间中，从而贴合车轮的外形曲面。

精巧防滑花纹：为车轮披上别致外衣

最后我们再来添加车轮最外表面的防滑花纹。同样是先在圆柱坐标系下设计二维曲线花纹，再利用坐标变换映射到车轮外部曲面上。

具体方法是，从三个预定义的ITreadPattern中选择一种，实例化WheelTread,然后调用其voxGetProfile()方法可以获得凸起的花纹，调用voxGetTreadLayer()则获得凹陷的花纹图案。

随机车轮组合:寻找意想不到的灵感

这样，一个个性十足、内外兼修的车轮就设计完成了。当然这个项目还提供了随机车轮生成功能，可以随机生成外形、分层、内部结构参数，让你在海量随机组合中寻找灵感。

这些元素的灵感来源来自于以下这些设计：

不过需要注意，随机生成的车轮并非每一个都是机械、力学上可行的，建议将其作为创意来源，而不是直接用于生产制造。

采用此项目（源码）设计出的经典3D打印案例

开源参数化计算建模的商业意义

从商业角度来看，RoverWheels虽然是一个开源项目，但其背后的PicoGK内核和ShapeKernel库却是LEAP 71的核心技术。LEAP 71将部分代码开源，一方面可以降低用户的学习成本，吸引更多开发者加入；

另外，借助社区的力量可以加速技术迭代和生态建设，等到开发者产生设计需求时，很可能还是会选择LEAP 71的商业解决方案。

开源和商业化并不矛盾，而是可以形成一个良性循环。

AM易道认为，RoverWheels项目所体现的参数化、模块化的设计思路具有广泛的适用性，不仅可用于车轮设计，还有很多其他复杂零部件的建模中，比如火箭发动机，复杂换热器及复杂歧管等等。

3D打印模型分享，超复杂螺旋内流道热交换器

写在最后

AM易道认为，此项目所体现的参数化设计思路，与当下火热的生成式设计(Generative Design) 可谓殊途同归。二者都是基于规则和约束进行建模，再由算法自动生成多种满足条件的方案，供设计师筛选和调优。

当然，DfAM带来自由度的同时，也对其设计师能力提出了更高要求。设计师需要具备跨学科的知识，深入理解多目标优化算法，还要平衡创意与性能、美学与工艺的关系。这对于习惯了传统设计流程的工程师来说，无疑是一个挑战。

增材产品的力学性能很大程度上和DfAM设计后的内部结构息息相关，而这恰恰是现有设计体系（工具）的较弱的环节。与专业的力学分析和仿真的软件工具链并没有打通，给设计师带来了不便。

打通工具链，这或许需要AM软件生态圈的携手合作。而这目前来看，遥遥无期。

不过，可以预见的是，随着3D打印工艺和设计工具的日益成熟，工具链逐步完善，基于DfAM的个性化、轻量化制造将迎来爆发式增长。

您对Leap 71项目有何看法? 车轮开源项目给了你怎样的启发？欢迎在评论区留言分享。