減少支架耗材浪費(fèi)的中科大“經(jīng)濟(jì)型”3D打印技術(shù)研發(fā)成功，節(jié)省材料

3D打印工藝雖然能夠較傳統(tǒng)工藝節(jié)省許多耗材，但其耗材本身的價(jià)格相對(duì)還是比較昂貴的。在采用3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，也通常都會(huì)按照使用耗材的種類和多少來(lái)計(jì)算價(jià)格。因此，為了節(jié)省材料花費(fèi)，大家在制作3D打印產(chǎn)品時(shí)通常會(huì)采用中空設(shè)計(jì)，或是只打印產(chǎn)品的外殼。而有時(shí)為了增加產(chǎn)品硬度，用戶必需為產(chǎn)品手動(dòng)設(shè)置填充密度，再由3D打印軟件為打印殼體內(nèi)部填充一些規(guī)整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

而近日，中國(guó)科技大學(xué)圖形與幾何計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的劉利剛教授和大連理工大學(xué)及微軟亞洲研究院的研究工作者們合作，提出了一種名為“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型”的3D打印技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)免除了用戶為3D打印產(chǎn)品手動(dòng)設(shè)置填充密度的步驟，而是為3D打印目標(biāo)文件自動(dòng)計(jì)算填充密度和填充方式，從而避免了用戶因?yàn)樵O(shè)置不合理而導(dǎo)致產(chǎn)品硬度不夠或站立不穩(wěn)等問(wèn)題，還大大的減少了在材料填充過(guò)程中造成的不必要的浪費(fèi)，可節(jié)省多達(dá)70%的打印耗材。
另外，研究人員們還針對(duì)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)的算法，使支撐結(jié)構(gòu)耗材更少，更容易被剝離。
這項(xiàng)成果被計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議Siggraph Asia 2013收錄，并發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACM Transactions on Graphics上。

【總體介紹】近日，我們?cè)?D打�。�快速原型制造）領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要的研究進(jìn)展，提出一種“經(jīng)濟(jì)節(jié)約型”的3D打印技術(shù)，能夠比已有方法節(jié)省打印材料并縮短制造時(shí)間，更具成本效益。此外，該研究還針對(duì)目前最為流行和廉價(jià)的FDM（熔融沉積式）桌面型3D打印機(jī)，給出了優(yōu)化的自支撐結(jié)構(gòu)，極大減少了支撐材料的浪費(fèi)。該研究成果論文被計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議Siggraph Asia 2013接收并全文發(fā)表在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域唯一的一區(qū)期刊ACM Transactions on Graphics上。該技術(shù)已在3D打印業(yè)界受到高度關(guān)注，并有多家企業(yè)向我們表示合作產(chǎn)品化意向。此工作由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)及微軟亞洲研究院的研究工作者合作完成。

【3D打印的成本】
3D打印成本通常用單位體積所需材料的費(fèi)用來(lái)表示（元/立方厘米）。即便使用同一臺(tái)3D打印機(jī)，由于受到成型件結(jié)構(gòu)的影響，單個(gè)成型件所需的費(fèi)用也是千差萬(wàn)別，因此3D打印服務(wù)的報(bào)價(jià)經(jīng)常以典型物體打印價(jià)格或者平均水平的價(jià)格來(lái)呈現(xiàn)。

【3D打印的支撐結(jié)構(gòu)】
有一些3D打印工藝，比如FDM打印和SLA打印等，打印過(guò)程中需要同時(shí)消耗大量的支撐材料。支撐是一些用于支持成型的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)后處理來(lái)去除。去除支撐的方式有直接剝除（對(duì)于FDM型打�。┗蛘呷诨�和溶解去除（對(duì)于SLA型打�。┑�。對(duì)于前者，剝除大量的支撐材料時(shí)可能會(huì)破壞原來(lái)的物體表面；對(duì)于后者，可能會(huì)用到強(qiáng)烈的腐蝕性化學(xué)品，要求特殊的處理方式和預(yù)防措施。支撐材料的使用也是影響打印成本的一個(gè)重要因素。

【現(xiàn)有的節(jié)省使用材料的方法及不足】
為了節(jié)省所使用的材料，大部分的3D打印附帶的軟件都考慮了節(jié)省材料的功能。一個(gè)最直接的方法就是將物體“掏空”，即不是打印一個(gè)實(shí)體模型（下圖左），而是打印一個(gè)只具有薄層厚度的物體（下圖中）。為了增加所打印的物體的硬度，有些3D打印軟件會(huì)自動(dòng)在薄層內(nèi)部填充一些規(guī)整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比如蜂窩結(jié)構(gòu)（下圖右）。


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但是，現(xiàn)有的3D打印軟件的這個(gè)功能都十分有限，不能自動(dòng)計(jì)算掏空物體的薄層厚度以及判斷所填充的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的密度，這些都需要用戶手工進(jìn)行設(shè)置。若用戶設(shè)置不合理，要么打印出來(lái)的物體不能滿足物理要求（比如硬度不夠而易碎）或幾何要求（比如站立不穩(wěn)），要么過(guò)多使用了打印材料。

【啟發(fā)：建筑工程中的剛架結(jié)構(gòu)—一種典型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)】
我們的想法是來(lái)源于我們生活中（比如飛機(jī)場(chǎng)、火車站、體育館頂部）常見(jiàn)的一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)—?jiǎng)偧芙Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。這些剛架結(jié)構(gòu)是由一些細(xì)桿通過(guò)一些節(jié)點(diǎn)相連而成，形成空間的一個(gè)圖結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：一、力學(xué)特性好。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)受到外力時(shí)，此處的受力能通過(guò)相鄰的細(xì)桿迅速傳播分散開(kāi)來(lái)。因此，雖然是稀疏的桿結(jié)構(gòu)，但是卻能承載很大的外力，具有良好的剛度和強(qiáng)度特性。二、質(zhì)量輕便。這種結(jié)構(gòu)是由稀疏的細(xì)桿組成，因此總體質(zhì)量不大，很好的減少了結(jié)構(gòu)本身的重量及所使用的材料。基于上述的兩個(gè)特性，這種剛架結(jié)構(gòu)被大量地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如大型建筑、橋梁、材料、航空航天等。


【我們的方法：設(shè)計(jì)物體的蒙皮-剛架結(jié)構(gòu)表示】
受到剛架結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們的想法是：對(duì)于給定的一個(gè)三維模型，我們將模型表達(dá)成一個(gè)很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu)，使得表達(dá)后的物體的體積（即所使用的打印材料）最小，而且使得打印物體能夠滿足所要求的物理強(qiáng)度，受力穩(wěn)定性，自平衡性及可打印性等要求。
我們的目標(biāo)函數(shù)包括兩個(gè)。第一個(gè)目標(biāo)為使得物體的體積最小，即蒙皮體積及剛架結(jié)構(gòu)的體積之和最小。由于蒙皮的厚度的增加會(huì)很快增加體積，因此我們將蒙皮的厚度固定為最小可打印精度，不作為優(yōu)化變量。因此，需要優(yōu)化的變量只包括剛架結(jié)構(gòu)中的細(xì)桿的半徑、節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及位置。第二個(gè)目標(biāo)為使得剛架結(jié)構(gòu)中的細(xì)桿數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量盡量少，該目標(biāo)是為了使得不要出現(xiàn)冗余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn)。
為此，我們通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化建模，提出一種迭代優(yōu)化的方法來(lái)優(yōu)化我們的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。只要從任意的一個(gè)剛架結(jié)構(gòu)出發(fā)（可隨機(jī)產(chǎn)生），我們的算法可以智能地優(yōu)化出細(xì)桿的半徑，去除多余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn)，以及優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的位置，使得總體積最小。如下圖所示，(a)為輸入的三維模型；(b)為隨機(jī)生成的剛架結(jié)構(gòu)；(c)為拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，去除了冗余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn)；(d)為幾何優(yōu)化的結(jié)果，得到細(xì)桿的半徑。拓?fù)鋬?yōu)化和幾何優(yōu)化步驟不斷迭代得到最終結(jié)果。圖中細(xì)桿的顏色表示其半徑（參看右端的顏色桿）。


下圖為用我們的方法得到的結(jié)果，(a)為優(yōu)化后的內(nèi)部剛架的半徑顏色圖；(b)為所打印出來(lái)的剛架結(jié)構(gòu)實(shí)物照片；(c)為最終打印的加上蒙皮（內(nèi)部為剛架結(jié)構(gòu)）的實(shí)物照片。下一行的底座比上一行的底座稍短些，為了保持所打印物體的穩(wěn)定性（能夠站立而不倒），可以看出細(xì)桿半徑經(jīng)我們的算法優(yōu)化后是如何自適應(yīng)變化的。

下圖為更多的一些經(jīng)我們的算法得到的模型（上排，為了能看到內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu)，我們沒(méi)有顯示前面一半的蒙皮）及打印的實(shí)物模型的照片（下排，物體前方的紅色圖釘是為了對(duì)比物體的大�。�。

上述照片中的實(shí)物為由SLS型（激光粉末燒結(jié)）打印機(jī)（型號(hào)：Sinterstation HiQ SLS）所打印的。

【FDM打印的自支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化】
在激光粉末燒結(jié)SLS類型的打印中，粉末自然提供了打印過(guò)程中的支撐。對(duì)于其他一些類型，特別是FDM打印類型，則需要額外的一些自支撐材料使得打印能夠正常操作下去。打印過(guò)程中會(huì)同時(shí)消耗大量的支撐材料。比如，一些打印機(jī)附帶的軟件只是在物體的凹處簡(jiǎn)單地打印自支撐的結(jié)構(gòu)，如下圖左。這樣會(huì)造成大量的自支撐材料的浪費(fèi)；另外，很難剝除掉這些支撐材料。
同樣基于剛架結(jié)構(gòu)的受力分析原理，我們開(kāi)發(fā)了一種算法，能夠智能地設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)，如下圖右，這種自支撐結(jié)構(gòu)也是由一些細(xì)桿組成，能夠在打印過(guò)程中起到自支撐的作用。很容易看出，我們算法設(shè)計(jì)的自支撐結(jié)構(gòu)極大地減少了支撐材料的浪費(fèi)，并且非常容易剝除掉。

下面是其他的我們算法設(shè)計(jì)的自支撐結(jié)構(gòu)且由FDM打印機(jī)打印的實(shí)物照片。

【項(xiàng)目主頁(yè)】

更多有關(guān)該研究成果的詳細(xì)信息（包括論文，視頻，輔助材料等）可見(jiàn)項(xiàng)目主頁(yè)：

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/ ... rinting/default.htm



【產(chǎn)業(yè)化潛力】

該研究成果已經(jīng)受到業(yè)界的關(guān)注，多家打印機(jī)生產(chǎn)商（特別是FDM類型打印機(jī)）已向我們表示合作產(chǎn)品化意向。我們也希望此項(xiàng)技術(shù)能在3D打印行業(yè)能得到廣泛的應(yīng)用。更好地降低打印成本才能夠使FDM型桌面打印機(jī)更容易走向千家萬(wàn)戶。





【聯(lián)系方式】

劉利剛 教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)圖形與幾何計(jì)算實(shí)驗(yàn)室

電子郵件：lgliu@ustc.edu.cn

個(gè)人主頁(yè)：http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu

這樣的話，可以大量減少打印材料的浪費(fèi)啊。牛逼。
中國(guó)就是需要這樣的原創(chuàng)性創(chuàng)新

減少打印材料的浪費(fèi)

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現(xiàn)在一般的桌面級(jí)打印機(jī)還做不到這一點(diǎn)嗎