Материалы для 3D-печати могут подешеветь на 70% – китайские ученые разработали новую технологию

В ближайшее время 3D-печать, возможно, станет значительно дешевле благодаря новой технологии от китайских ученых. Исследователи из Университета Наук и Технологий Китая разработали алгоритм оптимизации, с которым материал может стоить на 70% меньше.

Для уменьшения объема и стоимости расходного материала, в 3D-печати обычно делаются полости в модели. Это создание как отдельных пустот, так и полностью пустотелой модели, внутренняя поверхность которой представляет собой уменьшенную копию внешней поверхности (простой пример – скорлупа яйца или оболочка резинового мяча). Естественно, чтобы получить крепкий объект, его стенки нужно сделать достаточно толстыми. Поэтому, расход материала всё равно остается значительным.

Суть метода состоит в создании своеобразного внутреннего скелета модели, усиливающего внешнюю оболочку. Расчет такого каркаса проходит по специально разработанному алгоритму, который привязывается к форме исходной виртуальной модели. Это гарантирует физическую стабильность конструкции и высокую степень геометрической схожести с исходной моделью.

Попросту говоря, программа делает исходную виртуальную модель пустотелой и добавляет внутренние связи-перемычки, которые и обеспечивают необходимую жесткость и прочность. Благодаря этому, массу объекта можно значительно уменьшить, не жертвуя его крепостью. Кроме того, применение каркасных структур дает возможность обойти различные ограничения, связанные с особенностями процесса 3D-печати.

Каркасные конструкции

Сама по себе идея не нова. Каркасная структура – это тип облегченной конструкции, который широко используется в архитектуре и технике. Фактически, это «сетка», состоящая из небольших отдельных элементов, соединенных между собой в ключевых точках.

Основное преимущество каркасной структуры, по сравнению с монолитной – это значительно меньший вес и объем строительного материала. При этом общая жесткость и прочность такой конструкции остается достаточно высокой.

В качестве наглядного примера китайские исследователи приводят модель лошади, изображенную на рисунке ниже:

На рисунке (a) показан рендер исходной виртуальной модели. На рисунке (b) – сгенерированная по алгоритму ученых внутренняя каркасная структура модели. Т.е. модель делается полой внутри и в необходимых местах добавляются связи-распорки. На рисунке (c) – готовая, напечатанная модель, часть внешней стенки которой удалена. Это сделано для того, чтобы можно было увидеть прутья-связи внутреннего каркаса.

Благодаря применению каркасной структуры, модель получилась достаточно прочной и физически стабильной. При этом объем использованного материала, в сравнении с аналогичным монолитным объектом, составил всего лишь 15%.

Оптимизация

Авторы алгоритма также разработали схему оптимизации генерируемых каркасных структур. Это позволило свести расход материала, используемого для построения «скелета», к необходимому минимуму.

Пример такой оптимизации приведен на рисунке ниже:

Исходная виртуальная модель (a), для которой сгенерирована каркасная структура (b). На рисунке (c) происходит оптимизация топологии модели, а на (d) — оптимизация ее геометрии. Обратите внимание, что сетка каркаса на рисунке (c) более редкая, чем на (b) (разница между их объемами составляет около 24%). Соответственно, на 24% уменьшился и расход материала.

А теперь – пример оптимизации неустойчивой модели:

Основание (подставка) модели подвешенного шара в нижнем ряду меньше, чем у модели в верхнем ряду. Соответственно, устойчивость нижней модели хуже, чем верхней.

Поэтому, для балансировки неустойчивой конструкции, программа перераспределяет вес структуры и переносит ее центр тяжести ниже. В результате прутья каркаса в нижней и противоположной от шара части модели толще и тяжелее, чем в верхней части.

На рисунке ниже показано ещё несколько моделей различной конфигурации, напечатанных с применением нового алгоритма.

Слева-направо: истребитель, инопланетянин, лягушка-рыболов и голова Будды.  В верхнем ряду показаны результаты рендера исходных виртуальных моделей с частично скрытой внешней оболочкой, в нижнем ряду — напечатанные на 3D-принтере готовые объекты. Красная канцелярская кнопка служит для удобства оценки размеров объектов. Как можно видеть, метод универсален и подходит для печати моделей самой разнообразной геометрии.

Оптимизация технологических конструкций

Некоторые 3D-принтеры при печати создают дополнительные технологические детали, на которые уходит много расходного материала. Китайские исследователи предложили заменить объемные технологические конструкции на необходимый минимум тонких прутьев. Это позволит свести расход материала к минимуму и ещё больше удешевить печать.

Пример:

FDM-принтеры в процессе печати создают структуры поддержки, что приводит к повышенному расходу материала. Слева – пример модели, напечатанной при помощи коммерческого программного обеспечения. Справа – модель, напечатанная с применением нового алгоритма. Разница в количестве израсходованного материала налицо.

Доклад исследователей под названием “Cost-effective Printing of 3D Objects with Skin-Frame Structures” (Экономически эффективная печать 3D-объектов со скелетной структурой) будет опубликован на конференции SIGGRAPH Asia 2013, которая будет проходить в Гонконге с 19 по 22 ноября 2013 года.