軟件使設計人員能夠利用極高分辨率的3D打印機

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。

這種對印刷物體微觀結構的精確控制使設計者能夠相應地控制物體的物理性質 - 例如它們的密度或強度，或它們在受到應力時的變形方式。但是，對于由數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，也會非常耗時。

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

“傳統上，人們手動設計3D打印，”CSAIL的博士后和該論文的第一作者Bo Zhu說。“但是當你想要一些更高級別的目標時 - 例如，你想要設計一個具有最大剛度的椅子或設計一些功能性軟[機器人]抓手 - 那么直覺或經驗可能還不夠。拓撲優化，其中是我們論文的重點，將物理和仿真結合在設計循環中。當前拓撲優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專業的研究生。

太空中的點

麻省理工學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構都將占據一個特定的位置。例如，材料剛度有三種標準度量：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多遠; 一個描述了它在垂直于施加力的方向上的變形，或者當它在拉伸時被擠壓或收縮時其側面膨脹的程度; 第三個測量它對剪切的響應，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。

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簇 - 一個面部的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，該函數描述了點云的形狀。這使得研究人員的系統能夠在數學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的軟件優化要打印的對象。該過程將導致數十甚至數十萬個可打印簇的材料屬性規范。研究人員評估的聚類數據庫可能不包含任何這些規范的精確匹配，但它將包含非常好的近似聚類。