印刷体微观结构设计

今天的三维打印机分辨率为每英寸600个点，这意味着他们可以把十亿个不同体积的小立方体装进一个体积只有1.67立方英寸的体积。

这种精确控制印刷品的微观结构，使设计者能够对物体的物理性质，例如密度或强度，或在受到应力时变形的方式进行相应的控制。但是，评估一个包含几十亿个立方体的物体的每一种可能的组合，甚至仅仅两种物质的物理效应，将是令人难以忍受的。SMT贴片加工

所以在麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的研究人员（CSAIL）已经开发出一种新的设计系统目录的数量庞大的小立方体集群的物理性质。这些集群可以作为更大的可打印对象的构建块。因此，该系统利用微观尺度上的物理测量，同时能够对宏观设计进行有效的计算评估。

“通常，人们设计了3D打印人工，”Bo Zhu说，在论文的第一作者博士后成员。但是，当你想拥有更高层次的目标时，例如，你想设计一个具有最大刚度的椅子或者设计一些功能柔软的机器人手爪，那么直觉或经验可能是不够的。拓扑优化是本文的重点，它包含了物理和仿真在设计回路中的应用。当前拓扑优化的问题是硬件能力和软件之间存在差距。我们的算法，填补了这一空白。”

朱和他的同事们提出了他们的工作的麻省理工学院本周在SIGGRAPH图形会议，总理。加入了Wojciech Matusik朱，一个电气工程和计算机科学副教授；我é丽娜斯库拉斯，集团在Matusik的一个博士后；德赛晨，在电气工程和计算机科学的研究生。

空间中的点

麻省理工学院的研究人员首先定义了一个物理性质的空间，在这个空间中，任何给定的微观结构都会假定一个特定的位置。例如，有一个材料刚度的措施：三标准描述其变形在施加的力的方向，或在多大程度上可以被压缩或拉伸；描述其变形在垂直于受力方向，多少两侧凸起时的挤压或签合同的时候，它的延伸；与第三项措施剪切反应，或力引起的各层材料改变彼此相对。

这三种方法定义了一个三维空间，它们的任何特定组合定义了该空间中的一个点。

在3D打印术语中，物体被装配的微观立方体称为体素，用于体积像素；它们是数字图像中像素的三维相似物。朱和他的同事组装更大的可打印对象的积木是体素簇。

在他们的实验中，研究人员考虑了三种不同大小的簇——16, 32和64个体素到一张脸上。对于给定的一组可打印材料，它们随机生成以不同的方式组合这些材料的集群：集群中心的一个正方形的物质A，围绕该正方形的空白体素的边界，拐角处的材料B，或类似的边界。然而，集群必须是可打印的，不可能打印一个集群，比如，包含一个立方体的空体素，在其中心漂浮着一个更小的立方体。

对于每一个新的集群，研究人员利用物理模拟评估其物理性质，并将其指定为属性空间中的一个特定点。

渐渐地，研究者的算法通过随机生成新的簇和对属性已知的簇进行原则性的修改，探索了整个属性空间。最终结果是一个点云，定义了可打印集群的空间。

建立边界

下一步是计算称为水平集的函数，该函数描述点云的形状。这使得研究人员的系统能够在数学上确定具有特定属性组合的群集是否可打印。

最后一步是优化所要打印的对象，使用由研究人员开发的软件定制。这一过程将导致几十个甚至数十万个可打印集群的材料性能规格。研究人员的评估集群数据库可能不包含任何这些规范的精确匹配，但它包含的集群是非常好的近似值。

“产生明确的功能特性的材料和物品的设计和发现的结构是中央大量的力学性能有重要的应用，如在汽车、航空航天等行业，”Bernd Bickel说，一个计算机科学助理教授，在奥地利科技学院和研究所的计算机图形和数字制造组组长。“由于这些结构的复杂性，在三维打印的情况下，可以由一兆多个物质液滴组成，手工探索它们绝对是件棘手的事情。”

“博和他的同事们在一个非常聪明的办法，这个问题的解决方案，通过将它，”他说。”而不是直接作用于单个液滴的规模，他们先预计算小结构的行为，把它放在一个数据库。利用这些知识，他们可以在较粗糙的水平上执行实际的优化，使它们能够高效地生成一兆多个元素的高分辨率可打印结构，甚至只使用普通的计算机。这为迄今为止无法达成的决议设计和优化结构开辟了令人兴奋的新途径。”

麻省理工学院研究人员的工作得到了美国国防高级研究计划局的单工程序的支持。