今天的3D打印機的分辨率為每英寸600點，這意味著他們可以將10億個不同材料的微小立方體打包成一個僅為1.67立方英寸的體積。

對印刷物體微觀結(jié)構(gòu)的這種精確控制使設(shè)計者能夠相應(yīng)地控制物體的物理性質(zhì) - 例如它們的密度或強度，或它們在受到應(yīng)力時變形的方式。但是，對于由數(shù)百億立方體組成的物體，評估即使只是兩種材料的每種可能組合的物理效應(yīng)，也會非常耗時。

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因此，麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員開發(fā)了一種新的設(shè)計系統(tǒng)，可以對大量微小立方體簇的物理屬性進(jìn)行編目。然后，這些集群可以用作較大可打印對象的構(gòu)建塊。因此，該系統(tǒng)利用微觀尺度的物理測量，同時實現(xiàn)宏觀設(shè)計的計算效率評估。

“傳統(tǒng)上，人們手動設(shè)計3D打印，”CSAIL的博士后和該論文的第一作者Bo Zhu說?！暗钱?dāng)你想要一些更高級別的目標(biāo)時 - 例如，你想要設(shè)計一個具有最大剛度的椅子或設(shè)計一些功能性軟[機器人]抓手 - 那么直覺或經(jīng)驗可能還不夠。拓?fù)鋬?yōu)化，這是本文的重點是在設(shè)計循環(huán)中結(jié)合物理和仿真。當(dāng)前拓?fù)鋬?yōu)化的問題是硬件功能和軟件之間存在差距。我們的算法填補了這一空白。

朱和他的麻省理工學(xué)院的同事本周在首席圖形會議Siggraph上展示了他們的作品。加入朱在紙上的是電氣工程和計算機科學(xué)副教授Wojciech Matusik; MélinaSkouras，Matusik小組的博士后; 和Desai Chen，電氣工程和計算機科學(xué)專業(yè)的研究生。

太空中的點

麻省理工學(xué)院的研究人員首先確定了物理空間的空間，其中任何給定的微觀結(jié)構(gòu)都將占據(jù)一個特定的位置。例如，材料剛度有三種標(biāo)準(zhǔn)度量：一種描述其在施加力方向上的變形，或者它可以壓縮或拉伸的距離; 一個人描述了它在垂直于施加力的方向上的變形，或者當(dāng)它在拉伸時被擠壓或收縮時其側(cè)面膨脹的程度; 第三個測量它對剪切的響應(yīng)，或一個使材料的不同層相對于彼此移動的力。

這三個度量定義了一個三維空間，它們的任何特定組合都定義了該空間中的一個點。

通過拓?fù)鋬?yōu)化將扇形翼的柔軟機制嵌入到材料中。當(dāng)脊柱上的頂點收縮并展開時，指定光線的翅膀上下翻動。圖片來源：麻省理工學(xué)院的計算制造小組

在3D打印的行話中，組裝物體的微觀立方體稱為體素，用于體積像素; 它們是數(shù)字圖像中像素的三維模擬。朱和他的同事們組裝較大的可打印物體的構(gòu)件是體素群。

在他們的實驗中，研究人員考慮了三種不同大小的集群 - 面部的16,32和64個體素。對于給定的一組可印刷材料，它們隨機生成以不同方式組合這些材料的簇：在簇的中心處的正方形材料A，圍繞該正方形的空白體素的邊界，在角落處的材料B等。但是，群集必須是可打印的; 打印一個群集是不可能的，比如說，包括一個空的體素立方體，其中心的材料立方體較小。

對于每個新的集群，研究人員使用物理模擬評估其物理屬性，物理模擬為其分配了屬性空間中的特定點。

漸漸地，研究人員的算法通過隨機生成新聚類和對其屬性已知的聚類的原則修改來探索整個屬性空間。最終結(jié)果是定義可打印集群空間的點云。

建立邊界

下一步是計算一個稱為水平集的函數(shù)，該函數(shù)描述了點云的形狀。這使得研究人員的系統(tǒng)能夠在數(shù)學(xué)上確定具有特定屬性組合的群集是否可打印。

最后一步是使用由研究人員定制開發(fā)的軟件優(yōu)化要打印的對象。該過程將導(dǎo)致數(shù)十甚至數(shù)十萬個可打印簇的材料屬性規(guī)范。研究人員評估的聚類數(shù)據(jù)庫可能不包含任何這些規(guī)范的精確匹配，但它將包含非常好的近似聚類。

“用于生產(chǎn)具有精確特定功能特性的材料和物體的結(jié)構(gòu)的設(shè)計和發(fā)現(xiàn)對于機械特性很重要的大量應(yīng)用是至關(guān)重要的，例如在汽車或航空航天工業(yè)中，”計算機助理教授Bernd Bickel說。奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)博士和該研究所的計算機圖形和數(shù)字制造小組負(fù)責(zé)人?！坝捎谶@些結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在3D打印的情況下，可能包含超過一萬億個材料液滴，手動探測它們絕對是難以處理的?！?/p>

“Bo及其同事提出的解決方案通過重新設(shè)計以非常聰明的方式解決了這個問題，”他說?！八麄儾皇侵苯釉趩蝹€液滴的尺度上工作，而是首先預(yù)先計算小結(jié)構(gòu)的行為并將其放入數(shù)據(jù)庫中。利用這些知識，他們可以在更粗略的層面上執(zhí)行實際優(yōu)化，從而使它們能夠非常高效地生成具有超過萬億元素的分辨率可打印結(jié)構(gòu)，即使只使用普通計算機也是如此。這為以迄今為止無法實現(xiàn)的分辨率設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)開辟了令人興奮的新途徑?！?/p>本文由用戶上傳，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除！

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