与漫格科技深度交流“隐式建模”：面向增材制造与AI生成式设计的新一代CAD
随着AI+CAD的发展，主流CAD普遍采用的B-REP几何表示对AI 生成式设计形成了不小的挑战。于是越来越多研究者开始考虑从底层几何表示层面突破B-REP，用新的几何表示方式的CAD来构建生成式建模，其中一个方向就是之前总结文章中提到的——隐式建模。隐式建模是一种从底层就不同于当前主流CAD的几何表示方式，大约在2019年左右开始商业化，经过几年的发展，目前已经在众多行业的增材制造（3D打印）领域得到了不少的应用。当前能提供隐式建模CAD的公司很少，行业代表性供应商为国外的nTop，已经完成多轮累计过亿美元融资，并获得了NVIDIA的战略投资。国内则是成立于2019年的上海漫格科技。AIE近期就和漫格科技的多位专家，就隐式建模及其前景进行了深入交流，相关内容分享给大家。隐式建模：一种区别于主流CAD的新的几何表示方式
当前所有主流CAD软件（如Solidworks、NX、Creo、Fushion等）在底层的几何体表示方面，普遍采用的是B-REP形式，简单理解就是用一系列外壳（空间中的面）来描述几何体的边界，通过这些外壳的组合，将被外壳包围的部分，表示为零件的实体部分。外壳以外的部分，则不属于零件。而隐式建模则是直接用一些数学函数或方程，定义几何体形状，就像是中学解析几何里，用y=x2代表抛物线，用y=ax代表直线。通过一组函数描述出空间几何体的具体形状。两者的关系，漫格科技的专家给了一个更直观的比喻：如果把表达几何体比做在一座山上圈一个农场，B-REP方式是修围栏，围栏围起来的部分就是农场。如果农场面积大，形状复杂，就需要修很多的围栏。而隐式建模则是直接描述规则，比如：高度1000米以上的部分就是农场，表达更为简单。另一种类比，如果B-REP属于位图，隐式建模则是矢量图。隐式模型没有“面数”概念，它像矢量图一样，在渲染或导出时可以根据需要无限细化，而不存在网格破损或精度流失。
由于底层表示的不同，主流的网格和光栅化为核心的渲染管线无法用于隐式建模模型的渲染。近些年算力的提升、相关渲染技术的成熟才推动了隐式建模走向实际应用。
隐式建模在主流CAD的不足之处有显著优势
当前主流CAD的一些不足之处上，隐式建模有着显著的优势：主流CAD在进行一些复杂运算，如复杂的几何体间布尔运算（需要实时计算成千上万个曲面的交线）、倒角圆角、等距面（如抽壳）时，很容易出问题。而隐式建模的布尔运算只是简单的数学比较，可以轻松高效的做出这些计算，且不会出错，倒角也可以平滑过渡。隐式建模创建的模型天然是个实体，不像主流CAD复杂操作后可能会存在破洞等问题。轻量化晶格、纹理结构、复杂结构交叉的平滑过渡等结构，以及使晶格厚度或尺寸在不同高度下渐变，实现随形设计等，对主流CAD难度来说非常大，隐式建模则可以很简单的创建，且结构越复杂，隐式建模相对的优势越明显。
3.轻松创建不同的设计变体
隐式建模可以通过参数化调整，快速的形成多种设计变体，这些不同方向的变体在主流CAD建模时是非常费时费力的。
4.文件体积小
主流CAD模型存储海量面片来呈现模型细节，模型文件体积庞大，而隐式建模描述的是方程，体积小的多。
按漫格科技的数据，几十KB至1MB体积的文件，就可精准复现常规精度下1-4GB的轻量化结构模型。
5.工作流式建模
隐式建模的软件使用时不是直接操作几何体，而是像低代码开发平台一样，通过拖拽式的界面进行节点和工作流的编排和参数设定，实现建模。编排出来的节点可以后续很方便的复用。对前道步骤的调整，也可以直接修改参数，不需要回退步骤，修改的结果无须等待直接呈现。主流流程中，CAD和CAE是两个独立的过程，中间隔着繁琐的网格划分，隐式建模几何本身就是数学函数，几何即仿真。拖动一个参数，零件表面的应力分布图随之实时变形，没有中间转换，即可以一边改设计，一边实时看到应力变化。当然，隐式建模并非全是优势，很多主流CAD擅长的领域，隐式建模也并无优势，因此短期内更多是对主流CAD在一些场景上的补充，而非全面替代。- 模型文件不直接兼容。隐式模型无法直接导入现有CAD软件打开和修改，需要进行格式转换
- 局部修改效率低。常见简单的机械结构件、小细节和局部修改等方面，如把一个孔的直径从 5mm 改成 5.2mm，其效率不如主流CAD。
- 装配特征难表达。表达装配体和装配特征远不如B-REP直观。
- 加工检测不兼容。主流CAD零件面向CNC加工的编程和质检等流程对隐式建模无效。
- 生态薄弱。相比于主流CAD数十年积累的用户认知、经验、工具和生态，隐式建模才发展几年。如漫格科技也需要自己给用户提供偏定制的功能模块。
- 存在学习门槛。主流CAD不管哪个，用户都是采用“拉伸、旋转、圆角”的建模操作流程，比较熟悉。而隐式建模的流程完全不同，且设计仿真过程中涉及到“场”的概念的理解，存在一定的学习门槛。
隐式建模在增材制造领域广泛应用
结合以上特点可以看到，增材制造是隐式建模相比主流CAD具备显著优势的领域。隐式建模可以轻松创建各种复杂的晶格、纹理化结构，在主流CAD设计的基础上，通过晶格化结构，保证强度的情况下，进一步为零件减重。漫格科技的产品已经在航天航空、军工、汽车、医疗、消费品等众多行业产品增材制造中得到了应用，如薄壁弯管、鞋模、散热器、自行车叉肩、头盔衬垫、卫星支架、散热器等。一些超高复杂几何体，隐式建模可能是唯一选择。如Gyroid （双曲极小曲面，三重周期性最小曲面 (TPMS)的一种）结构的热交换器、人体骨科植入物、 微米级的点阵控制的声学与电磁超材料、汽车仪表盘的皮纹、轮胎花纹或精密工具的手柄抓力纹等几何层面的纹理等。在CAD已经日趋和CAE、CAM合成一体化的背景下，只有覆盖设计仿真和加工全流程，才能满足企业的使用需求。底层与主流CAD不兼容，模型文件无法直接互访问的背景下，隐式建模CAD一般通过两条腿走路，使隐式建模可以融入用户当前的工作流- 一是隐式建模的CAD模型都支持转为各种网格、体素等格式，如STL，从而可以导入传统CAX工作流。
- 二是提供一个从设计到结构仿真、工艺仿真、工艺准备一体化套件，可以在一个软件界面下完成从设计到加工的全链路闭环。
如漫格科技的核心产品VoxelDance Addictive套件，包含VDD设计及结构仿真、VDE工艺仿真、VDM工艺准备等功能模块。VDD设计模块，可以通过拖拽式流程编排进行零件的设计，并对其结构、模态和传热进行仿真，然后结合仿真结果快速修改结构设计。
目前主流隐式建模软件的仿真 主要是面向结构力学仿真，后续持续扩展更多的仿真学科。ntop在25年新引入了流体力学仿真模块，漫格科技也正在研发流体仿真模块。VDE工艺仿真模块，可以对金属激光3D打印工艺过程的中导致的静压、加工变形、残余应力和温度分布进行虚拟预测，并指导设计时进行补偿和优化，从而确保一次制造成功。VDM工艺准备模块，提供面向打印的工艺准备，可以修复转STL格式的错误，为尼龙打印进行3D智能排布，并引入了智能算法，为模型自动添加优化的支撑结构，减少冗余支撑。
设计仿真一体化快速探索。隐式设计可以参数化的快速创建设计变体，结合AI代理模型快速计算仿真结果，实现快速的设计空间探索，在飞行器、船舶外形初步设计等方面有所应用。如ntop和Luminary就合作了一个飞行器设计的案例。拓扑优化。主流CAD近些年都加入了拓扑优化功能，隐式建模天然也适合拓扑优化，且更具优势：生成的结构外观更为圆润自然，可以不受内存限制做微小结构，轻松实现变密度的微孔优化等。漫格科技团队采用“仿真驱动-优化生成-验证闭环”的数字化工作流程，帮助捷安特成功实现上图中自行车叉肩零件减重30.4%。更长远看，由于隐式建模的模型表达和建模过程都是代码化的，天然更适合AI进行学习和操作，理论上隐式建模也可以表达任意形状几何体，所以基于隐式建模构建AI生成式设计还有很多潜力有待探索。一些复杂的最优结构可能人脑无法直接想象出，但AI可以凭借算法得出。除此之外，相比于主流CAD数十年发展的庞大功能模块和生态，才发展了几年的隐式建模软件功能还处于持续丰富阶段。随着功能的持续丰富，以及减材制造（CNC）算法的进步（如直接针对隐式场生成刀路），隐式建模未来在精密化工、声学材料、甚至建筑结构中都有潜力。总结
隐式建模是一种完全不同于主流CAD的新的模型表达方式隐式建模不会取代主流CAD，与现有CAD形成有效互补隐式建模目前在增材制造领域有广泛的应用落地，在医疗器械、航空航天、高性能热管理或前卫消费品行业当前有较多应用场景。隐式建模可以覆盖设计仿真加工的全流程，漫格科技的产品提供全流程方案隐式建模结合AI已经有了设计空间探索、拓扑优化的应用，天然更适合AI的特点，未来可能还有潜力空间。隐式建模整体发展还在早期，未来还会继续丰富，并向更多领域应用拓展。 
