体积表示
能彻底改变3D打印技术吗

制造业正面临一场巨大的游戏规则变革。半个世纪以来，减法制造业一直占据着主导地位。在SM中，刀具从均匀块中去除材料，直到形成所需的形状。增材制造是一个即将到来的主要行业，有了它，就有了以更灵活的方式设计的机会。然而，目前的几何建模软件不允许制造商有效地设计、分析、优化和制造异质和/或多孔物体使用增材制造。以色列Technion计算机科学系的Gershon Elber教授提出了一种新的方法。

比起“机器制造”，你更看重“手工制作”?也许没有你想的那么多。我敢打赌，在你拥有的最重要的东西中——纯粹为实用目的而设计的东西，或者你欣赏它们的美丽的东西——你会找到电脑设计的东西。

您的手表，汽车，电脑和智能手机都包含数位设计，然后铣削，车床，切割，模塑和加工成的零件。我们用曾经只是物质块的物体填充我们的生活。但这即将改变 - 或者至少是我们这样做的方式。

添加剂制造
3D打印正在兴起。随着3D打印价格的下降，这一之前昂贵的设计工具现在已经赢得了一个小众爱好的名声。3D打印是一种非常令人兴奋的工具。传统的计算机辅助制造工具将材料从板材或块状物中去除——这个过程被称为减法制造(SM)。如果你曾经接触过3D打印，你就会知道它颠覆了SM的概念:3D打印通过添加材料来构建一个物体——这一过程被称为增材制造(AM)。

使用AM，制造商有能力创造出用SM技术无法制造的对象。空心或甚至多孔的物体现在是可行的，例如，提供优越的强度-重量比，这是创造物体的可能性组成的材料，在整个对象的组成变化。使用SM，不可能用刀头接触到物体的内部，也不可能用笨重的工具创造具有精细微结构的物体。

3D打印:未来?
未来是3D打印机 - 或者至少应该是。但有问题。由于减数制造是这么长时间的行业标准，因此设置了几何建模软件以反映这一点。该软件旨在创建名为边界表示的虚拟（计算机）对象，该对象在行业中已知为“B-rep”。B-REP仅由其外表面或边界表示。到目前为止，没有必要代表物体的内部，因为刀具或钻头负责塑造物体的钻头或激光束，只需要知道在哪里切割，而不是切割的地方。假设物体边界壁内的一切都是坚实的和均匀的。

对于支持异质性和多孔性的增材制造来说，这是一个主要问题。以前(加法)制造能力从来没有领先于几何设计软件的能力，需要一套新的软件来设计、制造和分析下一代制造的对象。

体素和V-reps
有一些尝试将替代品替换为B-Reps。但是，到目前为止，没有人出现特别适合。最直接的方法之一是将对象分成“体素”，体积等效像素。这种方法在技术上进行工作，类似于医疗CT扫描中使用的体素表示，但它也具有严重的限制。体素表示与B-REP不兼容。更重要的是，需要与现代SM方法相同的顺序准确性的应用可能需要单个对象的Tberabytes。

以色列技术计算机科学教授Gershon Elber一直致力于开发一种也是B-Rep兼容的不同方法，采用相同的数学函数。这种方法，他称之为“V-Reps”，握手为容量表示，是一种更加微妙的方法来表示用于打印的对象。

v -rep的开发首先在2016年的一篇论文中取得成果，该论文详细介绍了一种使用数学函数构建异质和/或多孔物体的方法。一个前提是，所设计的多孔物体可以从其结构的两种描述构建:微观结构和宏观结构。

对象已经用体积表示了，不需要在不同的表示之间转换模型，所以对象可以非常快速地迭代优化。

微结构是由众多瓷砖组成的3D表示，而“瓦片”是在整个宏观结构中重复的结构。微结构瓦片通常在三维网格中重复，然后被操纵成由宏观结构定义的形状。

宏观结构基本上描述了如何扭曲瓷砖网格以符合所需的物体形状。This shape can be as simple as a cuboid grid which appears to have been ‘twisted’ into a corkscrew shape, or much more complex, requiring multiple Boolean operations (mathematical operations like AND, OR, NOT that combine or exclude simple objects resulting in a more complex object) to achieve the desired shape. Prof Elber has various objects represented in his papers, but one which consistently shows up is a duck – a testbed shape that is familiar but surprisingly complicated to programme.

撇开这一点不谈，Elber最近的工作描述了如何以一种管理和优化异质性的方式来设计瓦片，考虑到单个瓦片的几何、拓扑和材料属性的变化。在一个模型中，瓦片可以被设计成各种形状和形式，例如，它们在一个面上连接到相邻的瓦片，或者在另一个面上连接多个较小的版本，等等。此外，这些块本身可以由较小的块递归形成，这意味着可以创建分支的、层次结构的对象。与前面一样，生成的瓦片集合可以被转换成有用对象的形状。

这增加了一种尤其强大的3D建模方法。在计算负载和内存使用时不仅光线相对较轻，它还解决了B-Reps的一个大问题：分析。要分析对象的属性，设计人员当前将对象的B-rep转换为描述其卷的网格。网状表示允许设计人员在对象上模拟不同的参数 - 例如，热量或应力和应变。在汽车，航空航天和船舶建筑行业 - 计算机辅助制造的一些最大用户 - 此转换过程估计消耗了80％的整体设计和分析过程。

什么使Elber的设计方法大击球手是对象已经大量表示，因此分析兼容，删除了转换模型的需要，因此可以非常快速地优化不同表示之间的对象。

设计一种多孔机翼
elber在eLber V-rep设计过程中的对象是平铺的事实使得优化过程更加容易。Elber通过多孔瓷砖飞机翼进行了几种设计，这被优化以产生规定的二向角度（偏转），其涉及机翼的刚度，其在施加的提升载荷下。

每个机翼都由数千块瓦片组成，每一块瓦片都可以通过改变它们的厚度和不同程度的掏空内部来促进物体的整体优化。埃尔伯的设计包括沿四个机翼的瓦片厚度的逐渐变化。

这些例子表明，正确优化厚度分布是实现最轻、最硬机翼设计的有效方法。

优化软件可以创造出全新的物体。也许有一天，你会拥有一个。

异质组合物
埃尔伯正在寻找软件的创造，将满足目前和未来的预见需求和能力的AM。V-rep软件内建的能力是指定整个对象的材料组成将是什么。这个规范可以来自最终用户，但更实际的是来自分析和优化工具。3D打印机制造商正在竞相创造支持异质材料的硬件，而这项技术仍处于起步阶段。目前的方法通常要么是在印刷时混合材料，要么是在混合室中预混合材料。不用说，减法制造技术无法与本地对材料的控制水平相匹配。

优化的V-reps
Elber最近的工作描述了利用基于进化方案的自动化优化器程序进一步改进优化过程。在翼的情况下，该优化程序被控制在壁厚和管道上的微观结构几何形状，但可能也在整个大圆体结构上的材料组合物上。

他展示了这项技术能够帮助设计各种各样的物体，包括散热器、热交换器、固体异质火箭燃料、飞机机翼和塑料挤压喷嘴，所有这些都在微观结构水平上进行了优化。

Elber建议，在不久的将来，优化函数可以控制其他参数，允许它们在当前的微瓦中嵌入纳米瓦，在纳米瓦中嵌入微瓦等，并在网格的每个部分中选择不同类型的瓦，甚至控制变形功能。这意味着优化软件可以创造出全新的对象。也许有一天，你会拥有一个。