MIT最新軟件：能預(yù)先計(jì)算出3D打印對(duì)象的物理特性

南極熊2017年8月9日訊/熱衷于研發(fā)3D打印相關(guān)技術(shù)的美國麻省理工學(xué)院（MIT）近日又取得了新的突破 — 其計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）開發(fā)出了一款新軟件，能在極短的時(shí)間內(nèi)通過物理模擬計(jì)算出尚未3D打印的對(duì)象的物理特性。這對(duì)于包括設(shè)計(jì)師和制造商在內(nèi)的3D打印人士來說無疑是一大助力，可以有效幫助他們選擇正確的材料，從而最大限度優(yōu)化3D打印結(jié)果。

▲柔性夾具的優(yōu)化過程

▲3D打印成品效果

那么，這款軟件究竟是怎樣運(yùn)行的呢？麻省理工學(xué)院的研究人員們首先定義了一個(gè)空間的物理性質(zhì)：在這個(gè)空間中，任何給定的微觀結(jié)構(gòu)都會(huì)被賦予一個(gè)位置。詳細(xì)來說，判斷一個(gè)材料的硬度有三個(gè)基準(zhǔn)：

①當(dāng)這個(gè)物體受到外力時(shí)，物體在這個(gè)方向上的變形情況，或者說這個(gè)物體在多大程度上可以被壓縮或拉伸；
②當(dāng)這個(gè)物體受到外力時(shí)，與這個(gè)方向垂直的方向上，物體的變形情況，或者說這個(gè)物體被擠壓時(shí)的膨脹和收縮情況；
③測(cè)量物體對(duì)剪切的反應(yīng)，或者說，測(cè)量那個(gè)使物體中不同的材料層互相相對(duì)移動(dòng)的力。

以上三種方法定義了一個(gè)3D空間，它們的任何組合形式定義了該空間中的一個(gè)點(diǎn)。

在3D打印術(shù)語中，被打印對(duì)象的基本材料單元叫做體素，類似于我們平時(shí)聽到的2D像素，只不過維度升高了一級(jí)。實(shí)際打印時(shí)，這些體素就如同建房需要的磚塊一樣，會(huì)被堆積起來，最終形成一個(gè)完整的3D實(shí)體。但目前，3D打印機(jī)的平均分辨率約為每英寸600點(diǎn)。也就是說每1.67立方英寸的體積中就會(huì)有數(shù)十億個(gè)體素。這就意味著即使只計(jì)算兩種材料的組合物理特性也會(huì)相當(dāng)費(fèi)時(shí)。所以，MIT這款軟件換了個(gè)思路通過模擬體素的集群而非單個(gè)體素來計(jì)算最終對(duì)象的物理特性。

他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中考慮了三種不同大小的集群——將16個(gè), 32個(gè)和64個(gè)體素分別放到一個(gè)面上。對(duì)于隨機(jī)的一組可以3D打印的材料，它們隨機(jī)生成含有不同材料的集群：例如，在集群中心是一個(gè)方形的材料A，圍繞該正方形的空白體素的邊界是材料B。當(dāng)然了，要完成這一步驟的必要條件是，這個(gè)集群必須是可打印的。

對(duì)于每一個(gè)新的集群，研究人員利用物理模擬去評(píng)估其物理性質(zhì)，并將其指定為屬性空間中的一個(gè)特定點(diǎn)。就以這個(gè)方法循序漸進(jìn)，通過隨機(jī)生成新的集群和對(duì)屬性已知的集群進(jìn)行原則性的修改，整個(gè)空間的屬性就被探索完成了。最終，會(huì)呈現(xiàn)出一群點(diǎn)，稱為云，它定義了可打印集群的空間。

下一步是計(jì)算稱為水平集的函數(shù)，該函數(shù)可以測(cè)量出云的形狀。這使得研究人員發(fā)明的系統(tǒng)能夠在數(shù)學(xué)意義上，確定這些具有特定屬性組合的群集是否可以3D打印。

▲拍動(dòng)翅膀的柔軟機(jī)制通過拓?fù)鋬?yōu)化嵌入到材料中。翅膀的射線被指定在它的脊柱上，隨著翅膀的拍上拍下，脊柱也隨之收縮

最后一步是用上述提到的研究人員所開發(fā)的軟件，來優(yōu)化所要打印的圖形。幾十萬個(gè)可以3D打印的集群的材料特征會(huì)在這一過程中顯示出來。研究人員的集群數(shù)據(jù)庫有可能沒有完全一樣的材料，但是有很多非常類似的可以用來模擬原材料，并且其精準(zhǔn)度也非常高。

計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授同時(shí)也是奧地利科技學(xué)院和研究所的計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)字制造組組長(zhǎng)的Bernd Bickel說道：“能夠發(fā)現(xiàn)物體或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并把它們顯眼的功能性特征連同材料特質(zhì)一起復(fù)制下來，打印出一個(gè)幾乎一樣的物品，這個(gè)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到許多重要的行業(yè)，例如在汽車、航空航天等。由于這些物體的結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，使用3D打印則有可能會(huì)由超過萬億個(gè)不同材料的集群組成，因此，人工探索物體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一件相當(dāng)棘手的事情�！�

“Bo Zhu和他的同事們正在用一個(gè)非常聰明的辦法來解決這個(gè)問題，” Bernd Bickel說道，“他們的系統(tǒng)從小集群的結(jié)構(gòu)開始探索，并把它放在一個(gè)數(shù)據(jù)庫里，而不是像傳統(tǒng)方法那樣，以一個(gè)一個(gè)單位來進(jìn)行探索。利用這些搜集起來的數(shù)據(jù)庫，他們可以粗略地進(jìn)行優(yōu)化，并使這個(gè)物體能夠高效地生成上萬億個(gè)元素的高分辨率的可打印結(jié)構(gòu)。而且這樣一個(gè)復(fù)雜的過程可以只通過普通的計(jì)算機(jī)來完成。他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)打開了一扇新大門�！�

延伸閱讀：《又一項(xiàng)麻省理工的黑科技：能3D打印的可編程減震材料》

南極熊，3D打印專業(yè)媒體平臺(tái)。點(diǎn)擊進(jìn)入網(wǎng)址http://m.lhkhtyz.com/

來源：3ders & DeepTech深科技