实体/曲面混合建模:未来三维CAD建模的主流技术

维数字化建模主要有两种技术:一是参数化建模,二是直接建模。但这两种技术在实际应用中均存在缺陷。论文将两种建模方法融合在一起形成混合建模技术,能更好地体现设计者的意图,提高设计效率。下面就跟小编来了解一下吧!

实体/曲面混合建模:未来三维CAD建模的主流技术

1、实体建模和曲面建模介绍

实体建模和曲面建模是两种不同的几何建模方法。实体建模通过使用封闭的实体特征进行堆叠裁减，可以得到直观的实体模型。

图 1 实体建模的方式

曲面建模(如图2所示)则是通过创建无限小厚度的物体表面，进行连接闭合，从而得到最终的曲面造型。

图 2 曲面建模的方式

对于机械特征明显的造型，实体建模通过确认曲面边界和拓扑定位来明确地呈现物体特征，建模过程更为简单快捷。但对于外观要求高的造型，曲面建不需要任何特征信息，

只要定义边界的几何描述就能得到复杂的效果。基于这个差异点，要求创建高质量、更复杂的曲面造型时，曲面建模却又比实体建模更便捷、快速。

随着工程师对产品多样化的设计要求，期待能不再局限于实体建模或者曲面建模，而是能同时兼具两者优点的新技术，因此混合建模技术应运而生。混合建模基于中望3D独有的OverdriveTM内核，充分整合了两种建模技术的优势，从而让用户能在实体和曲面间实现自由交互，设计更加灵活自如。

对于大多数三维CAD软件，工程师一般会利用曲面修剪形状(见图3) ，但有没有可能通过实体来修剪形状吗?混合建模技术就能做到(如图4所示)。

图 3 一般建模只允许通过曲面来修剪形状

图 4 混合建模允许通过实体来修剪形状

2、详解混合建模技术——实体与曲面的灵活转化

因为混合建模技术可以让大多数操作命令在实体和曲面环境中同时使用，所以用户无需考虑操作对象是一个实体还是曲面。在过去，用户必须接受专门的培训来学习如何区分实体建模命令和曲面建模命令，使得三维建模入门非常难，专业度非常高。而现在混合建模集成了实体和曲面建模两种技术，极大地降低了三维建模的学习难度，更加容易上手。

以计算质量为例，实体建模只能在没有间隙的完美实体上进行，而通过混合建模技术，不管实体有多少间隙，中望3D都可以灵活、便捷地计算出质量。特别在导入不同软件图纸时，模型常常都是不完整的。一般情况下，工程师需要花费大量的时间来修补模型，之后才能获得相关的质量信息。相比之下混合建模技术能够帮助工程师节省繁琐的修补环节，将精力更聚焦于创造性的工作上。

图 5 质量属性计算工作比较

当模型完整时(右边)实体建模和混合建模都可以完成

但面对模型不完整时(左边)，只有混合建模才能够处理

事实上，混合建模技术是颠覆了你过去所学的实体建模或曲面建模的理念，一旦你熟悉、并真正掌握，效率的大幅提升将超出你的意料之外。

3、混合建模如何加速设计到制造

3.1 简化模具设计环节

在这个信息爆炸的时代，电视机、手机、笔记本电脑等信息传播载体已成为日常生活的必需品。为了大批量生产这些产品，实现标准化的模具设计是必不可少的。在设计模具过程中，型芯和型腔的分离是最有难度、最具挑战的环节——除了需要熟练的操作，还要求大量的检查和修补工作。当模型有破面的情况出现，分模难度就更高了。对许多模具公司而言，最痛苦就是从上游收到不同软件的图纸来制作模具，为此模具工程师不得不夜以继日地工作来保证导入的零件质量。

现在，这些问题都可以通过混合建模技术轻松解决，因为无论是面对实体或者曲面，混合建模技术让大部分的操作都能同时起作用，从而极大简化分模工作，快速实现分模(如图6所示)。

图 6 混合建模技术能够保证分模效率

3.2 设计与CAM加工无缝对接

将设计转化为真实产品的关键环节就是制造，其中CNC数控加工是使用最广泛的生产技术。一般来讲，CNC加工需要经验丰富的工程师才能完成工作，但为了让数控编程更加简单，越来越多的功能创新降低了操作的难度，包括智能策略加工、自动化生产等技术。但无论自动化程度有多高，有一个环节是无法避免的，就是在选择任何一项智能加工策略之前，你还是必须得先花时间处理好从外部导入的数据文件。

以图8的零件加工为例。在数控加工过程中，我们希望刀轨能够绕过间隙、槽、孔，但大多数的CAM软件是无法识别这些几何形状，因此工程师需要先进行修补或者创建一个辅助曲面来一个个封闭它们。但如果这个零件的槽，孔和间隙非常多，工程师就至少得花好几天的时间。针对这种情况，中望3D独有的混合建模技术则可以识别出来，无论是实体或者非实体。因此，刀具在切割零件时，就能自动绕过孔或槽，从而大幅度节省工作时间。另外，在进行编程和实体仿真的过程中，实体模型无论是否完整或者有间隙，刀轨检查和刀具路径都能照常运作。

图 7 混合建模技术能实现刀具自动绕过间隙

通过混合建模技术，工程师不用先考虑需要处理的模型是不是实体。总体而言，它的优势不仅仅只是让产品设计环节更加流畅，延伸到模具设计、生产制造整个流程，所有工作都可以更加简单、高效。

图 8 混合建模技术有助于减少设计到制造的对接工作

3.3 满足3D打印前端设计需求

经过十几年的研究和发展， 3D打印技术日渐成熟，它可以激发人们创造出更独特和有意义的产品。与专业的制造领域不同，3D打印未来的发展趋势就是更加“亲民”——没有专业CAD / CAM软件知识背景的用户，也会通过3D设计和3D打印来完成生活用品。目前微软已在Windows 8.1中开发了一款基础的三维打印应用，但还是远远不够。如果没有专业背景的用户想轻松设计出三维模型，就必须要求软件易学易用且功能指引非常清晰，还必须兼容Windows 8系统和采用Ribbon界面来适应操作习惯。上述所说的要求，中望3D灵活的混合建模技术都已经满足，不需要像实体建模或者曲面建模那样必须先掌握复杂的理论概念。例如你通过导角命令可以在实体或者曲面上快速增加一个圆角，或者把实体模型的面去掉轻松转化为一个曲面，所有的操作都非常人性化。

图 9 最流行的Ribbon交互界面

3.4 轻松完成复杂的结构设计

通过混合建模，实体和曲面都可以进行布尔运算，让你有更多的时间用于寻找创意和灵感。如图10所示的复杂设计，单凭曲面建模需要更多的步骤来创建细节结果，但是混合建模允许你在创建主体曲面的同时，通过使用实体进行布尔运算就可以完成所需的效果。

图 10 通过布尔运算实现实体转化为曲面

基于中望3D的OverdriveTM内核，混合建模技术的优势能够延伸到其他功能，让设计更加简单操作。例如，更强大的变形功能，无论是实体或曲面都可以附着到模型上，从而能够随意改变形状和进行缠绕，快速创建出不同特征的零件。混合建模拥有让实体和曲面自由交互的优势，给工程师提供无以比拟的专业设计工具。

图 11 变形缠绕功能让让设计化繁为简

4、未来三维建模技术的发展

跟实体建模和曲面建模相比，混合建模同样可以完成相同的效果，还能做到前两者做不到的事情，因此拥有更多潜力和可能性待挖掘。今时今日，人们越来越青睐于更具创意、美感的外观设计，混合建模技术消除了软件操作的繁琐，留给你更多创想的时间。

未来，将会涌现更多新技术帮助工程师或者设计师有更多余力专注于创意本身，更从容地应对市场挑战。但总而言之，三维建模技术是基础，而其中混合建模则是集实体建模和曲面建模两家之长，相信未来将成为工业设计的主流三维建模技术，持续引领三维设计软件的发展趋势。