減少支架耗材浪費的中科大“經(jīng)濟型”3D打印技術研發(fā)成功，節(jié)省材料

3D打印工藝雖然能夠較傳統(tǒng)工藝節(jié)省許多耗材，但其耗材本身的價格相對還是比較昂貴的。在采用3D打印技術進行生產(chǎn)時，也通常都會按照使用耗材的種類和多少來計算價格。因此，為了節(jié)省材料花費，大家在制作3D打印產(chǎn)品時通常會采用中空設計，或是只打印產(chǎn)品的外殼。而有時為了增加產(chǎn)品硬度，用戶必需為產(chǎn)品手動設置填充密度，再由3D打印軟件為打印殼體內(nèi)部填充一些規(guī)整的網(wǎng)狀結構。

而近日，中國科技大學圖形與幾何計算實驗室的劉利剛教授和大連理工大學及微軟亞洲研究院的研究工作者們合作，提出了一種名為“經(jīng)濟節(jié)約型”的3D打印技術，這項技術免除了用戶為3D打印產(chǎn)品手動設置填充密度的步驟，而是為3D打印目標文件自動計算填充密度和填充方式，從而避免了用戶因為設置不合理而導致產(chǎn)品硬度不夠或站立不穩(wěn)等問題，還大大的減少了在材料填充過程中造成的不必要的浪費，可節(jié)省多達70%的打印耗材。
另外，研究人員們還針對基于FDM技術的3D打印機開發(fā)了自動計算支撐結構的算法，使支撐結構耗材更少，更容易被剝離。
這項成果被計算機圖形學領域頂級會議Siggraph Asia 2013收錄，并發(fā)表在學術期刊ACM Transactions on Graphics上。

【總體介紹】近日，我們在3D打�。�快速原型制造）領域取得了一項重要的研究進展，提出一種“經(jīng)濟節(jié)約型”的3D打印技術，能夠比已有方法節(jié)省打印材料并縮短制造時間，更具成本效益。此外，該研究還針對目前最為流行和廉價的FDM（熔融沉積式）桌面型3D打印機，給出了優(yōu)化的自支撐結構，極大減少了支撐材料的浪費。該研究成果論文被計算機圖形學領域頂級會議Siggraph Asia 2013接收并全文發(fā)表在計算機圖形學領域唯一的一區(qū)期刊ACM Transactions on Graphics上。該技術已在3D打印業(yè)界受到高度關注，并有多家企業(yè)向我們表示合作產(chǎn)品化意向。此工作由中國科學技術大學、大連理工大學及微軟亞洲研究院的研究工作者合作完成。

【3D打印的成本】
3D打印成本通常用單位體積所需材料的費用來表示（元/立方厘米）。即便使用同一臺3D打印機，由于受到成型件結構的影響，單個成型件所需的費用也是千差萬別，因此3D打印服務的報價經(jīng)常以典型物體打印價格或者平均水平的價格來呈現(xiàn)。

【3D打印的支撐結構】
有一些3D打印工藝，比如FDM打印和SLA打印等，打印過程中需要同時消耗大量的支撐材料。支撐是一些用于支持成型的結構，可以通過后處理來去除。去除支撐的方式有直接剝除（對于FDM型打印）或者融化和溶解去除（對于SLA型打�。┑�。對于前者，剝除大量的支撐材料時可能會破壞原來的物體表面；對于后者，可能會用到強烈的腐蝕性化學品，要求特殊的處理方式和預防措施。支撐材料的使用也是影響打印成本的一個重要因素。

【現(xiàn)有的節(jié)省使用材料的方法及不足】
為了節(jié)省所使用的材料，大部分的3D打印附帶的軟件都考慮了節(jié)省材料的功能。一個最直接的方法就是將物體“掏空”，即不是打印一個實體模型（下圖左），而是打印一個只具有薄層厚度的物體（下圖中）。為了增加所打印的物體的硬度，有些3D打印軟件會自動在薄層內(nèi)部填充一些規(guī)整的網(wǎng)狀結構，比如蜂窩結構（下圖右）。


論文下載 SigAsia2013_3Dprinting.pdf
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Demo (*.mov) (27.4M)

但是，現(xiàn)有的3D打印軟件的這個功能都十分有限，不能自動計算掏空物體的薄層厚度以及判斷所填充的網(wǎng)狀結構的密度，這些都需要用戶手工進行設置。若用戶設置不合理，要么打印出來的物體不能滿足物理要求（比如硬度不夠而易碎）或幾何要求（比如站立不穩(wěn)），要么過多使用了打印材料。

【啟發(fā)：建筑工程中的剛架結構—一種典型的輕質(zhì)結構】
我們的想法是來源于我們生活中（比如飛機場、火車站、體育館頂部）常見的一種輕質(zhì)結構—剛架結構，如下圖所示。這些剛架結構是由一些細桿通過一些節(jié)點相連而成，形成空間的一個圖結構。這種結構的優(yōu)點主要有兩點：一、力學特性好。當某節(jié)點受到外力時，此處的受力能通過相鄰的細桿迅速傳播分散開來。因此，雖然是稀疏的桿結構，但是卻能承載很大的外力，具有良好的剛度和強度特性。二、質(zhì)量輕便。這種結構是由稀疏的細桿組成，因此總體質(zhì)量不大，很好的減少了結構本身的重量及所使用的材料�；�于上述的兩個特性，這種剛架結構被大量地應用于許多領域，比如大型建筑、橋梁、材料、航空航天等。


【我們的方法：設計物體的蒙皮-剛架結構表示】
受到剛架結構的啟發(fā)，我們的想法是：對于給定的一個三維模型，我們將模型表達成一個很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結構，使得表達后的物體的體積（即所使用的打印材料）最小，而且使得打印物體能夠滿足所要求的物理強度，受力穩(wěn)定性，自平衡性及可打印性等要求。
我們的目標函數(shù)包括兩個。第一個目標為使得物體的體積最小，即蒙皮體積及剛架結構的體積之和最小。由于蒙皮的厚度的增加會很快增加體積，因此我們將蒙皮的厚度固定為最小可打印精度，不作為優(yōu)化變量。因此，需要優(yōu)化的變量只包括剛架結構中的細桿的半徑、節(jié)點的個數(shù)及位置。第二個目標為使得剛架結構中的細桿數(shù)量及節(jié)點數(shù)量盡量少，該目標是為了使得不要出現(xiàn)冗余的細桿及節(jié)點。
為此，我們通過多目標優(yōu)化建模，提出一種迭代優(yōu)化的方法來優(yōu)化我們的兩個目標函數(shù)。只要從任意的一個剛架結構出發(fā)（可隨機產(chǎn)生），我們的算法可以智能地優(yōu)化出細桿的半徑，去除多余的細桿及節(jié)點，以及優(yōu)化節(jié)點的位置，使得總體積最小。如下圖所示，(a)為輸入的三維模型；(b)為隨機生成的剛架結構；(c)為拓撲優(yōu)化的結果，去除了冗余的細桿及節(jié)點；(d)為幾何優(yōu)化的結果，得到細桿的半徑。拓撲優(yōu)化和幾何優(yōu)化步驟不斷迭代得到最終結果。圖中細桿的顏色表示其半徑（參看右端的顏色桿）。


下圖為用我們的方法得到的結果，(a)為優(yōu)化后的內(nèi)部剛架的半徑顏色圖；(b)為所打印出來的剛架結構實物照片；(c)為最終打印的加上蒙皮（內(nèi)部為剛架結構）的實物照片。下一行的底座比上一行的底座稍短些，為了保持所打印物體的穩(wěn)定性（能夠站立而不倒），可以看出細桿半徑經(jīng)我們的算法優(yōu)化后是如何自適應變化的。

下圖為更多的一些經(jīng)我們的算法得到的模型（上排，為了能看到內(nèi)部的剛架結構，我們沒有顯示前面一半的蒙皮）及打印的實物模型的照片（下排，物體前方的紅色圖釘是為了對比物體的大�。�。

上述照片中的實物為由SLS型（激光粉末燒結）打印機（型號：Sinterstation HiQ SLS）所打印的。

【FDM打印的自支撐結構的優(yōu)化】
在激光粉末燒結SLS類型的打印中，粉末自然提供了打印過程中的支撐。對于其他一些類型，特別是FDM打印類型，則需要額外的一些自支撐材料使得打印能夠正常操作下去。打印過程中會同時消耗大量的支撐材料。比如，一些打印機附帶的軟件只是在物體的凹處簡單地打印自支撐的結構，如下圖左。這樣會造成大量的自支撐材料的浪費；另外，很難剝除掉這些支撐材料。
同樣基于剛架結構的受力分析原理，我們開發(fā)了一種算法，能夠智能地設計自支撐結構，如下圖右，這種自支撐結構也是由一些細桿組成，能夠在打印過程中起到自支撐的作用。很容易看出，我們算法設計的自支撐結構極大地減少了支撐材料的浪費，并且非常容易剝除掉。

下面是其他的我們算法設計的自支撐結構且由FDM打印機打印的實物照片。

【項目主頁】

更多有關該研究成果的詳細信息（包括論文，視頻，輔助材料等）可見項目主頁：

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/ ... rinting/default.htm



【產(chǎn)業(yè)化潛力】

該研究成果已經(jīng)受到業(yè)界的關注，多家打印機生產(chǎn)商（特別是FDM類型打印機）已向我們表示合作產(chǎn)品化意向。我們也希望此項技術能在3D打印行業(yè)能得到廣泛的應用。更好地降低打印成本才能夠使FDM型桌面打印機更容易走向千家萬戶。





【聯(lián)系方式】

劉利剛 教授，中國科學技術大學圖形與幾何計算實驗室

電子郵件：lgliu@ustc.edu.cn

個人主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu

這樣的話，可以大量減少打印材料的浪費啊。牛逼。
中國就是需要這樣的原創(chuàng)性創(chuàng)新

減少打印材料的浪費

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現(xiàn)在一般的桌面級打印機還做不到這一點嗎