3D打印技術(shù)在過(guò)去十年已取得不少進(jìn)展，例如，實(shí)現(xiàn)了由多種原材料構(gòu)成的制造過(guò)程，能夠生產(chǎn)出功能強(qiáng)大、具有實(shí)用性的物品。盡管如此，對(duì)于不是程序員的人而言，要利用這一技術(shù)打造出由許多材料或混合材料制成的3D產(chǎn)品依舊很困難，原因在于現(xiàn)有的操作界面不容易上手。本周，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將公開(kāi)展示應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題的Foundry系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于定制設(shè)計(jì)由多種材料制成的各種3D打印對(duì)象。

“在傳統(tǒng)制造中，由不同材料制成的物體需經(jīng)歷各自獨(dú)立的工藝流程，然后使用粘合劑或其它粘合工藝進(jìn)行組裝，”博士生兼論文第一作者基里爾-維迪姆斯（Kiril Vidim?e）表示，“現(xiàn)有的多材料3D打印機(jī)也擁有類似的工作流程：每個(gè)零部件通過(guò)傳統(tǒng)的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)而成，然后3D打印軟件為每個(gè)零部件分配對(duì)應(yīng)的某種材料。”

相較而言，F(xiàn)oundry允許用戶以前所未有的高精度來(lái)更改材料屬性。

“Foundry就像修改3D產(chǎn)品屬性的Photoshop軟件，允許用戶利用新型的復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，根據(jù)設(shè)計(jì)目的選擇擁有最佳機(jī)械、熱和導(dǎo)電性能的材料，”維迪姆斯表示，“設(shè)計(jì)者只需盡情發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力、思考如何以新穎的方式實(shí)現(xiàn)材料的復(fù)合。”

作為展示，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造了乒乓球拍、滑雪板、三輪車的輪子、頭盔、甚至未來(lái)有望應(yīng)用到手術(shù)中的骨頭。

哪怕對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工具中重新設(shè)計(jì)由多種材料構(gòu)成的物品都需要很多天的時(shí)間，而且有些設(shè)計(jì)在實(shí)際中可能完全不可行。但利用Foundry系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可以在幾分鐘內(nèi)完成設(shè)計(jì)。

“3D打印不僅僅是點(diǎn)擊按鈕，然后等待產(chǎn)品的制成，”維迪姆斯指出，“這一技術(shù)旨在打印出目前無(wú)法利用傳統(tǒng)工藝制造而成的產(chǎn)品。”

論文的合作撰寫者包括麻省理工學(xué)院的教授沃伊切赫- 毛圖?？耍╓ojciech Matusik）和以及他所任教的計(jì)算制造專業(yè)的學(xué)生博士生亞歷山大-卡斯帕（Alexandre Kaspar）和研究生王葉（Ye Wan）。本周晚些時(shí)候，他們將在東京計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的用戶界面軟件和技術(shù)研討會(huì)（UIST）中公開(kāi)該論文的內(nèi)容。

Foundry是如何運(yùn)行的？

由于目前業(yè)界使用的材料并非很實(shí)用，因此如今的多材料3D打印機(jī)大多用于制作原型。設(shè)計(jì)者通常的做法是，創(chuàng)建初步模型，快速調(diào)整，隨后再次打印。麻省理工學(xué)院的MultiFab等新平臺(tái)正在開(kāi)發(fā)適用于批量制造的高性能材料。

同時(shí)，F(xiàn)oundry發(fā)揮著界面的作用。設(shè)計(jì)首先需使用SolidWorks等傳統(tǒng)的CAD工具包來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，導(dǎo)出文件后，通過(guò)在Foundry中創(chuàng)建“運(yùn)算符圖表（operator graph）”來(lái)確定產(chǎn)品的組成，這種運(yùn)算符圖表可容納大約100個(gè)名為“運(yùn)算符（operator）”的微調(diào)動(dòng)作。“運(yùn)算符”可以“細(xì)分”、“重新映射”或“分配”材料。一些“運(yùn)算符”能夠明晰地把設(shè)計(jì)對(duì)象劃分為兩種或更多種不同材料，而其他“運(yùn)算符”可實(shí)現(xiàn)從一種材料向到另一種材料的逐漸轉(zhuǎn)變。

Foundry允許設(shè)計(jì)者針對(duì)任何材料的組合展開(kāi)混合和匹配設(shè)計(jì)，還可為對(duì)象的不同部分分配特定屬性，并組合“運(yùn)算符”來(lái)生成新的“運(yùn)算符”。

例如，如果設(shè)計(jì)者想制造一種兼具剛性和彈性的立方體，他可以分配一個(gè)“剛性運(yùn)算符”讓立方體的某個(gè)部分較硬，并分配一個(gè)“彈性運(yùn)算符”讓另一部分富有彈性；再引入連接兩部分的“梯度運(yùn)算符”以實(shí)現(xiàn)材料之間的逐漸過(guò)渡。

設(shè)計(jì)者可以實(shí)時(shí)預(yù)覽他們的設(shè)計(jì)，而不必等到打印成品出來(lái)。

測(cè)試系統(tǒng)

為了測(cè)試Foundry，研究團(tuán)隊(duì)讓一些并非專業(yè)設(shè)計(jì)師的人參與了測(cè)試。參與者需設(shè)計(jì)出三種不同的對(duì)象：玩具熊、骨骼結(jié)構(gòu)以及包含輪胎和車輪的一體化輪胎。研究團(tuán)隊(duì)僅解釋了一小時(shí)，參與者就能設(shè)計(jì)出這些對(duì)象，而且設(shè)計(jì)玩具熊、骨骼結(jié)構(gòu)和一體化輪胎的平均時(shí)間分別是56分鐘、48分鐘和26分鐘。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還為幼兒三輪車制造了一個(gè)定制輪子。這個(gè)車輪的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改善，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向強(qiáng)度的最大化，輪子的泡沫外輪還改進(jìn)了懸架。

通過(guò)Foundry充分發(fā)揮3D打印平臺(tái)的所有性能有助于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。我們可以制造高質(zhì)量的仿真品（如，骨頭）供醫(yī)生實(shí)施手術(shù)練習(xí)，而利用兼具軟性和剛性性能的設(shè)計(jì)，我們也可開(kāi)發(fā)出更舒適的假牙和其他產(chǎn)品。

維迪姆斯的最終夢(mèng)想是為Foundry創(chuàng)造一個(gè)設(shè)計(jì)者社區(qū)，設(shè)計(jì)者們?cè)谄渲锌梢韵嗷シ窒?ldquo;運(yùn)算符”，讓3D制造實(shí)現(xiàn)更多潛在設(shè)計(jì)。他還希望將Foundry集成到現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的工作流程中。

該研究得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

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