地平线上的4D打印和形状移位技术

“在打印机空间具有万亿体素能力的体素打印和六种不同材料的情况下，可能组合的数量是万亿的六倍，这是一个天文数字。”

– Dr. Daniel Richards, Lancaster University

功能梯度的网格结构，具有多种材料的无缝混合。

创造性约束

ImaginationLancaster是英国兰卡斯特大学当代艺术学院的一部分，不仅关注艺术和设计，还关注那些将培养设计技能以应对未来现实世界问题的途径。 这个创意研究中心使人们和组织能够以创造性的方式与学术界合作。 他们的广泛使命可以在创造性愿景和实现这一愿景的工具之间留下空白。 对于兰卡斯特大学讲师丹尼尔理查兹博士来说，他的研究领域是计算设计，或者用新技术如何制造复杂的物体，推动他研究的问题是：先进制造的计算机辅助设计（CAD）的未来是什么？

理查兹认为，需要从根本上重新思考设计师，艺术家和工程师如何构思，建模和编辑复杂的多材料结构，然后有效地输出它们。 虽然增材制造或3D打印具有几乎无限的设计能力，但Richards表示“在可用软件方面实际上存在一些非常严重的限制。”他的研究并未考虑现有的，完善的CAD软件包的小幅增量变化 ，而是他正在尝试为新兴的制造方法创建全新的CAD环境。 “我想看看如果我开始混合对这些进行真正根本性的破坏性改变会发生什么。 那会让我做什么？“

Richards开始将一些复杂的算法集成到软件中，“好处是我可以开始对信息进行一些非常有趣的操作，这些信息可以产生我可以在很多方面优化的物理形式，”理查兹说。 “但需要权衡利弊。 设计师并不真的希望在这种复杂程度上运行。 他们希望软件相对简单。 所以任务变成了'我们怎么能这样做？'“最后，理查兹说，”真正的问题是你如何让人们使用它？ 而且它比我想象的要困难得多。“

六大设计的可能性

Richards在他在兰开斯特任职期间对3D设计操作的学术调查，但是一旦他接受了这个职位并且看到他们在现场看到了Stratasys J750™3D打印机，他就获得了很大的吸引力。 然后，理查兹开始将最先进的CAD推向突破点，以探索先进的多材料增材制造在工业中的应用。 当Richards的调查引起Stratasys的注意时，Richards取得了重大突破，Stratasys邀请Richards参加他们的GrabCAD Voxel Print™研究项目。

“GrabCAD Voxel Print软件工具彻底改变了我们制作东西的方式，”理查兹说。 “当我意识到你可以使用多少体素时，我感到很震惊。 想象一下坐下来的万亿乐高积木以及你可以用它制作的东西。 接下来的问题是你是如何做到的，“理查兹说。 Richards的答案是开发可打印和可演化的体积纹理贴图，作为为体素打印建模复杂对象的新方法。

传统的体素建模技术源自医学成像，使用x，y和z轴上的笛卡尔网格进行MRI和CT扫描。 “您可以在传统的笛卡尔体素网格中定义您的对象。 在设计的任何部分触及体素的任何地方，您可以打开该体素，定义该体素的属性，然后取出您的物体，并且您已经准备好使用Voxel Print技术进行打印的体素模型。

理查兹的研究更像是在线外和模型内部进行着色。 “如果我们不受笛卡尔体素网格的限制怎么办？ 如果我们使用奇怪的基于神经网络的方法来实际创建扭曲和塑造现有几何体的体素空间，该怎么办？ 然后我们可以定义其中的所有内部属性，作为其自身的函数，然后找出一种将不规则体素网格切割成新的体素网格进行打印的方法，“理查兹说。

3D像素，这种方法采用一个物体并包裹一个可能不规则的3D像素的“世界”，将其变成一个“深层表面”，理查兹说。 “开始这个的想法就是如果你能以某种方式拥有这个体素，它不仅知道它在x，y，z空间内的位置，而且还知道它与其他东西的关系 - 其他一些几何形状。 然后，你如何开始使用这些信息，“理查兹说。 对现有方法的这种改变可能听起来很复杂，但它使“人工智能（AI）和数据科学研究中的一些非常有用的算法能够被用来发现复杂的多材料设计。”

低分辨率3D可打印的体积纹理。 可以设计基于矢量的体积纹理并将其应用于对象，从而允许使用GrabCAD Voxel Print以任何分辨率制作它们。

使用Compositional Pattern Producing Networks创建体积纹理的概念界面设计

这项研究远远超出理论范围。 “我们的想法是，我们将开始探索在材料之间无缝分级的应用程序。 我们的方法与Voxel Print相结合，开辟了超越假肢，医疗领域和航空航天领域的应用。 有可能是我们甚至都没有想过的应用，“理查兹说。 “最终目标是探索高价值制造业的应用。”

Richards说，这一过程的下一个前沿是4D印刷和变形材料。 “你不再只是设计一个静态物体; 也许你正在设计一些可以以某种方式弯曲或具有某些可以完全改变和改变形状的材料特性的东西。 通过体素打印能够在打印机空间中存储万亿个体素和六种不同的材料，可能的组合数量达到万亿的六倍，这是一个天文数字，“理查兹说。

Richards说，设计空间是无限的，应用程序也是如此。 “没有铰链的机器人。 打印工作机器人的能力可能是一个变形或移动的物体。“理查兹说，航空航天公司已经在考虑设计可以弯曲的机翼，这样它不仅可以降低襟翼，而且实际上整个机翼都可以变形。 “对于军用飞机设计或高性能飞机来说，有一些主要的好处，”理查兹说，这只是一个开始。