Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Магнитный актуатор превратил портрет Ван Гога в «Крик» Мунка

Subramanian Sundaram et al. / Science Advances, 2019

Американские ученые разработали метод топологической оптимизации 3D-печатных изделий, позволяющий получать конструкцию, которая меняет свой угол наклона и внешний вид заданным образом. Оптимизация происходит не с помощью изменения самой конструкции, а благодаря распределению по ней материалов трех типов с разными свойствами. В качестве примера исследователи создали пластину, которая при воздействии магнитного поля поворачивается, благодаря чему изображенный на ней автопортрет Винсента Ван Гога меняется на картину Эдварда Мунка «Крик». Статья опубликована в Science Advances.

Топологическая оптимизация позволяет добиться минимального использования материала детали (а, следовательно, и наименьшей массы), сохранив нужную инженеру прочность, функции и другие параметры. Обычно топологической оптимизацией занимаются алгоритмы, которые получают от инженера модель, содержащую точки крепления, размер и другие базовые параметры, а затем меняют конструкцию, оставляя указанные параметры без изменений. После этого они производят расчет и анализируют, остались ли ключевые параметры неизменными, а также — уменьшилась ли масса детали.

Существует другой подход, при котором форма детали остается неизменной, а изменениям подвергается ее состав. Группа ученых из Массачусетского технологического института под руководством Войцеха Матусика (Wojciech Matusik) уже создавала программу для подобной топологической оптимизации, она разбивала модель на воксели (объемный аналог пикселя) и подбирала для каждого из них нужное соотношение мягкого и жесткого материала.

В новой работе ученые применили схожий подход, но для решения другой задачи — оптимизации строения объекта для получения одновременно нужного отклонения части конструкции под действием магнитного поля и нужных визуальных изменений. Для этого они создали набор из трех полимерных материалов: мягкого, жесткого и прозрачного, а также жесткого и непрозрачного, который, к тому же, содержит в себе ферромагнитные частицы. Такой набор позволяет задавать оптические свойства (прозрачность и цвет), а также механические — обычный жесткий материал выполняет роль основы конструкции, композит с магнитными частицами необходим для создания двигающихся частей, а мягкий полимер используется для создания петель и других поворотных механизмов.

Ученые решили показать работоспособность алгоритма для топологической оптимизации, с помощью задачи создания поворотной панели, которая отображает разные изображения при повороте. Алгоритм принимает несколько изображений, а также соответствующие им углы поворота и расстояния до постоянного магнита. После этого он создает разные модели такой панели, распределяя внутри нее воксели из прозрачного и непрозрачного магнитного материалов. Затем каждая модель проверяется на соответствие заданным пользователям изображениям с помощью трассировки лучей.

Авторы работы продемонстрировали работу алгоритма на примере перехода между двумя изображениями, но сам по себе он не несет в себе ограничения на количество стадий, хотя с добавлением каждой новой сложность подбора структуры из вокселей значительно возрастает.

В этой работе исследователи использовали простые монолитные воксели, целиком состоящие из одного материала. А в одной из предыдущих работ они научили алгоритм создавать на основе двух материалов целую библиотеку вокселей с разным соотношением и пространственным распределением двух материалов. Используя алгоритм, ученые создали несколько ауксетиков — материалов, которые при растяжении не уменьшаются в поперечной плоскости, а наоборот увеличиваются.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.