Nowe oprogramowanie typu open source zmienia sposób, w jaki inżynierowie projektują i drukują obiekty z wielu materiałów.
Charles Wade, doktorant informatyki na Uniwersytecie Kolorado w Boulder, opracował OpenVCAD, system projektowania, który wykracza poza tradycyjne modelowanie, wykorzystując kod do mapowania nie tylko kształtów, ale także rozmieszczenia materiałów w obiektach 3D.
Narzędzie, stworzone w laboratorium obliczeniowym Matter Assembly Computation Lab kierowanym przez adiunkta Roberta MacCurdy’ego, umożliwia inżynierom projektowanie przestrzennie zmieniających się obiektów wielomateriałowych z niezwykłą łatwością i precyzją.
Projekt odzwierciedla rosnące zainteresowanie podejściami obliczeniowymi łączącymi kodowanie z projektowaniem, co może przekształcić produkcję przyrostową.
„Z pewnością istnieje historia badań i praktyk w zakresie projektowania wielu materiałów, która istniała na długo przed OpenVCAD” – powiedział MacCurdy, który jest również powiązany z wydziałami informatyki oraz inżynierii elektrycznej, komputerowej i energetycznej.
„Wierzymy jednak, że narzut związany z pisaniem za każdym razem konkretnego kodu dla konkretnych projektów uniemożliwia inżynierom wykonanie jak największej liczby projektów”.
„Dzięki OpenVCAD wykonujemy całą tę pracę raz — i robimy to naprawdę dobrze — dzięki czemu ludzie mają wbudowaną infrastrukturę do reprezentowania przestrzennie zróżnicowanych, wielomateriałowych projektów”.
Przełamywanie granic CAD
Projektowanie obiektów składających się z wielu materiałów od dawna testuje ograniczenia konwencjonalnych narzędzi do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Tradycyjne systemy zazwyczaj definiują zewnętrzne granice obiektu, zakładając, że wnętrze jest wykonane z jednego materiału.
Takie podejście nie sprawdza się, gdy inżynierowie muszą modelować projekty gradientowe: obiekty, które płynnie przechodzą między materiałami, jak podeszwa buta do biegania, która zmienia się z twardej u dołu do miękkiej u góry. Bez specjalistycznych narzędzi stworzenie tak płynnych przejść może być prawie niemożliwe.
I tu z pomocą przychodzi OpenVCAD. Oprogramowanie umożliwia użytkownikom łączenie złożonych funkcji matematycznych i przypisywanie ich jako materiałów do różnych obszarów obiektu 3D.
„To pierwsze powszechnie dostępne narzędzie do projektowania obejmujące wiele materiałów i oparte na kodzie” – powiedział Wade.
„W przeciwieństwie do tradycyjnego oprogramowania CAD, w którym przy każdej zmianie trzeba wszystko szkicować i nie można przedstawić stopniowanych materiałów, nasze narzędzie umożliwia użytkownikom zmianę jednej małej zmiennej i łatwe obserwowanie aktualizacji całego projektu”.
Od laboratorium do każdej branży
Zespół badawczy zademonstrował wszechstronność OpenVCAD na różnych drukarkach 3D, w tym na jednej w laboratorium MacCurdy’ego, która może drukować z maksymalnie pięciu materiałów jednocześnie.
Konsekwencje wykraczają daleko poza środowisko akademickie. Od modelowania medycznego po robotykę miękką i symulację strukturalną — oprogramowanie może wspierać inżynierów i badaczy z różnych dziedzin.
Chirurdzy mogliby go używać do tworzenia realistycznych modeli anatomicznych na potrzeby planowania operacji. Badacze zajmujący się robotyką mogą na nim polegać przy projektowaniu elastycznych siłowników, które wyginają się w jednym kierunku, ale pozostają sztywne w innym.
Inżynierowie konstrukcyjni mogą zastosować unikalne właściwości mechaniczne do określonych części złożonych struktur kratowych, aby zwiększyć wytrzymałość i pochłanianie uderzeń.
„Możemy polegać na podstawowych możliwościach OpenVCAD w zakresie reprezentowania obiektów składających się z wielu materiałów w wielu różnych domenach” – powiedział MacCurdy. „Jednak w niektórych obszarach dzieje się o wiele więcej, co nas ekscytuje i naprawdę mamy nadzieję, że takie podejście do wielostronnegotworzywo projektowanie nabiera tempa.”
Zgodnie ze swoją nazwą, OpenVCAD jest w pełni oprogramowaniem typu open source. Zawiera implementację Pythona, która pozwala użytkownikom zaimportować repozytorium i rozpocząć projektowanie od jednej linii kod.
„Chcemy, aby było to szeroko dostępne dla ludzi” – powiedział Wade. „Mamy rosnącą bazę zewnętrznych badaczy z innych instytucji, którzy korzystają z tego narzędzia, i mamy nadzieję, że umożliwimy tej społeczności wykonanie najlepszej pracy”.
